автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Стеновые материалы на основе глиежей и микрокремнезема

РГо ОД

2 1 .о!г ?:п-На правах рукописи

ВОЛКОВА Ольга Евгеньевна

СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ГЛИЕЖЕЙ И МИКРОКРЕМНЕЗЕМА

05.23.05. -Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2000

Работа выполнена на кафедре «Технология строительного производства» Братского государственного технического университета.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

профессор Садович М.А. Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент Лохова Н. А.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

Ведущая организация: Проектно-технологический институт Братскгэсстроя лаборатория исследований строительных материалов.

Защита состоится «30» июня 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 064.41.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу 634002 г.Томск, пл. Соляная, 2.

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

Автореферат разослан «30» мая 2000 г.

профессор Верещагин В.И. ■кандидат технических наук, доцент Ласковенко Г.Н.

Ученый секретарь Диссертационного Совета

Доктор технических наук, профео . Скрипникова

W№.1,0

Общая характеристика работы

Актуальность.

Высокая материало- и энергоемкость производств стеновых материалов при невысоком качестве выпускаемой продукции по причине отсутствия в достаточном количестве кондиционного природного минерального сырья является характерной чертой большинства предприятий Восточной Сибири. Необходимо проведение работ по расширению сырьевой базы за счет вовлечения новых видов природного сырья, а также промышленных отходов ранее мало используемых в области обжиговых материалов, объемы которых настолько велики, что позволяют оценивать их как промышленные запасы.

Минимизация энергозатрат на изготовление обжиговых материалов может быть достигнута вовлечением в производство дисперсных или легко добываемых и перерабатываемых компонентов, имеющих "тепловое прошлое", с частичной или полной аморфизацией структуры. К таким сырьевым компонентам можно отнести микрокремнезем (крупнотоннажный ультрадисперсный отход производства кристаллического кремния) и глиежи ( природные горелые породы). Ценность глиежей в сравнении с глинистым сырьем заключается в их повышенной физико-химической активности и относительно высоком содержании оксида алюминия, в том числе растворимого. Небольшая глубина залегания и выход пластов на поверхность предопределяют экономическую целесообразность их переработки и использования.

При замене традиционного глинистого сырья вышеуказанными активными компонентами возможно получение стеновых материалов (как рядовых, так и лицевых) с улучшеными качествами и стабильными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Диссертация выполнена в рамках тематических планов научно-исследовательских работ Братского государственного технического университета.

Цель и задачи исследований.

Целью работы является разработка строительных композитов и научно-обоснованных технологических приемов для изготовления эффективных стеновых материалов на основе микрокремнезема и глиежей.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие

задачи:

1. Исследовать свойства природного (глиежей) и техногенного (микрокремнезема) сырья и оценить его пригодность для изготовления стеновых материалов;

2. Обосновать подбор корректирующей добавки для интенсификации структурообразования при термообработке материала;

3. Установить рациональные составы масс и режимы термообработки отформованных образцов, обеспечивающие соответствие нормативным документам, в том числе предъявляемым к лицевым стеновым изделиям;

.4. Исследовать структуре- и фазообразование образцов из предлагаемых композитов в температурном интервале 100...1050°С и выявить их отличительные особенности в сравнении с композицией без добавки;

5. Провести опытно-промышленные испытания и разработать технологический регламент изготовления изделий;

6. Охарактеризовать технико-экономическую эффективность использования глиежей и микрокремнезема в качестве основных компонентов для производства стеновых материалов.

Научная новизна работы:

1. Установлена активирующая роль микрокремнезема в композициях с содержанием глиежей до 41 масс.%, при обжиге до температур 900...950- °С,за счет взаимодействия его с продуктами разложения карбонатов кальция и магния и ускорения твердофазового спекания;

2. Установлена возможность улучшения прочностных свойств обожженных изделий из композиций на основе микрокремнезема и глиежей посредством водной обработки за счет образования и твердения кремнегеля;

3. Установлена возможность получения безобжиговых строительных материалов из композитов на основе микрокремнезема (МК) и глиежей (ГЛ) при соотношении МК:ГЛ=70:30 с добавкой хлорида натрия при тепловлажностной обработке при температуре изотермии 90 °С, за счет ускорения процессов растворения микрокремнезема в хлоридном растворе с образованием кремнегеля;

4. Установлено, что введение хлорида натрия или кальция в количестве 3 масс.% в смеси на основе микрокремнезема и глиежей снижает температуру разложения СаС03 до 500...550 °С, что приводит к синтезу волластонита при низких температурах 600. ..650 °С;

5. Установлено, что введение хлорида натрия или кальция в количестве 1 масс.% сверх 100 масс.% основной смеси на основе микрокремнезема и глиежей при ее грануляции на тарельчатом грануляторе приводит к уменьшению образования крупных фракций, тем самым снижая коэффициент сжатия шихты с 4 до 2,5 и повышая прочность как сырца (до 13МПа), так и высушенного полуфабриката ( до 30 МПа).

Практическая ценность работы:

1. Разработаны составы керамических масс и предложены приемы их переработки, позволяющие обеспечить производство эффективных

керамических изделий из доступных и недорогих сырьевых материалов, при этом сокращаются затраты на переработку сырья и изготовление изделий за счет вовлечения в производство мелкодисперсного высокоактивного сухого компонента (МК) и глиежей, содержащих аморфизированную составляющую;

2. При использовании строительных композитов с корректирующей добавкой снижены затраты на термообработку в связи с существенным понижением конечной температуры обжига;

3. Разработанные составы обжиговых масс и способы изготовления изделий на их основе защищены двумя патентами и двумя положительными решениями;

4. Разработан технологический регламент на изготовление стеновых материалов на основе микрокремнезема, глиежей и добавки хлорида натрия или кальция;

5. Разработана установка для изготовления натурных образцов кирпичей полусухого прессования в лабораторных условиях. Результаты исследований и установка используются в учебном процессе.

Апробация работы:

Основные положения работы докладывались на ХУП-ХХ1 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава БрГТУ в 1996-2000 г.г., на всероссийской научно-технической конференции в Томске в 1998 г., на международном конгрессе в.Новосибирске в 1998 г., на международных научно-технических конференциях в Иркутске, Барнауле, Пензе, Волгограде (1998 г), на региональной научно-практической конференции в Иркутске в 1998 г., на XVI межвузовской конференции в Красноярске в 1998 г. Кроме того, материалы работы были представлены в международном выставочном центре "Сибэкспоцентр" г.Иркутска (1999 г. и 2000 г.) в рамках выставок "Наука, образование, новые технологии: стратегия и тактика развития" и "Технология и энергосбережение". В рамках последней выставки получен диплом лауреата премии губернатора Иркутской области в номинации «Молодые ученые» за разработку ресурсо- и энергосберегающей технологии производства стеновой керамики.

Публикации:

По материалам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе два патента № 2130912, № 2130913. Кроме того, получены два положительных решения ФИПС по заявкам № 98115415, №98116985.

На защиту выносятся:

-результаты исследования химического и минералогического состава исходных компонентов;

б

- рациональные составы композитов и результаты изучения основных строительно-технических свойств получаемых изделий;

- закономерности фазо- и структурообразования материала на основе двухкомпонентной и трехкомпонентной (с добавкой хлористой соли) смесей и технологические приемы их изготовления;

результаты опытно-промышленных испытаний, а также рекомендации по изготовлению стеновых обжиговых материалов из микрокремнезема и глиежей.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературных источников из 187 наименований и содержит 220 страниц машинописного текста, включая 37 рисунков, 48 таблиц, 8 приложений.

Основное содержание работы

В первой главе приводится анализ научных публикаций, посвященных исследованиям горелых пород (глиежей), микрокремнезема (МК) и хлористых солей как сырьевых компонентов при изготовлении строительных изделий.

Разработкой технологий получения строительных материалов из горелых пород и глиежей в качестве компонента бесцементных известково-глйежных вяжущих и бетонов на их основе, а также в виде отощающей добаки, снижающей усадку, повышающей термостойкость и прочность керамических изделий в нашей стране занимались Г.И. Книгина А.С.Уклонский, И.С.Канцепольский, С.И.Барилович, Л.С.Болквадзе, Г.П.Петрова, В.Н.Бурмистров и др.

Анализ использования микрокремнеземистой пыли (МК, пыли ферросилиция и др.) показал, что она применяется как компонент вяжущих для растворов и бетонов; материалов автоклавного твердения; сырья для тёплЬйзоляционных изделий и легких жаростойких бетонов. Немало публикаций посвящено применению МК в сочетании с поверхностно-активными, воздухововлекающими, химическими добавками и др.

Кроме того имеется несколько работ, посвященных изготовлению обжиговых материалов - кирпича, блоков, облицовочных плиток, где отмечено, что применение МК способствует снижению средней плотности и теплопроводности, повышению механической прочности и морозостойкости изделий.

Разработки по применению МК Братского завода кристал-лического кремния представлены отделом исследований строительных материалов "Братскгэсстроя", (Г.Л.Гершанович, В.ПЛемперт, М.А.Садович), где этот отход рассматривался в качестве добавки в строительные растворы и

полистиролцементные композиции; работами кафедры СМиТ БрГТУ (Ю.П.Кариаухов, В.В.Шарова, Т.Н.Радина) по

использованию жидкого стекла из МК и материалов на его основе, а также по применению МК в качестве основного сырья для обжиговых материалов, в том числе в сочетании с высококальциевой золой (Н.А.Лохова, И.А.Макарова).

Анализ литературных данных по применению хлористых солей в качестве добавок при производстве керамических материалов позволяет сделать следующие выводы: соли оказывают коагулирующее действие при грануляции сырьевых частиц; уменьшаются усадочные деформации при сушке; введение №С1 до 0,7- 1,0 % позволяет увеличить прочность черепка на 10-15 %; ввод в количестве 0,2 - 0,4 % №С1, (СаС12) позволяет заметно снизить высолы и уменьшить содержание растворимых солей в черепке; добавка: хлористых солей в карбонатсодержащее сырье препятствует образованию "дутика".

Кроме того, в главе отражены методики исследований сырья и материалов. Изучение химико-минералогического состава сырья, а также процессов фазо- и структурообразования материалов производилось с применением химического, рентгенофазового, дериватографического и порометрического анализов. Физико-механические свойства определяли по стандартным методикам.

Состояние вопроса. Обзор литературных данных по использованию горелых пород и микрокремнезема показывает, что они относительно широко используются в производстве различных видов строительных материалов, однако их применение пока не получило широкого распространения в промышленности обжиговых материалов.

В основу работы положена рабочая гипотеза о том, что используя высокую активность микрокремнезема и возможность формирования структурного каркаса из глиежей за основу взята композиция изготовления строительного материала при полусухом прессовании. Ускорение процессов минералообразования возможно обеспечить за счет введения хлоридов натрия или кальция.

Вторая глава

В главе отражены методики исследований сырья и материалов. Изучение химико-минералогического состава сырья, а также процессов фазо- и структурообразования материалов производилось с применением химического, рентгенофазового, дериватографического и порометрического анализов. Физико-механические свойства определяли по стандартным методикам.

Представлены вещественный состав и свойства исходных материалов. Исследованиями установлено следующее:

1. Глиежи Богучанского месторождения образовались в результате самообжига угленосных пород в естественных условиях в течении длительного времени. Химический анализ глиежей выявил значительное содержание оксида кремния БЮ2- 63,62 % и оксида алюминия А1203 -18,4 %, а также оксидов железа Ре20з-7,16 %; кальция СаО -2,8 %; магния Г^О -1,86 % и др. По химическому составу глиежи относятся к группе полукислого сырья. Гранулометрический состав преимущественно представлен щебнем размером от 2 до 70 мм ( 64...67 %) и частицами 0,5 мм и менее (21...25 %).

2. МК Братского завода кристаллического кремния (БЗКК), представляет собой ультрадисперсный порошок серого цвета с содержанием оксида кремния до 96,5 %. Ежегодный выход МК на БЗКК достигает 32 тыс.т. Кристаллическая фаза представлена кремнием, карборундом и графитом. По химическому составу МК относится к кислому сырью.

Радиационно-химическая оценка глиежей и микрокремнезема свидетельствует о том, что они отвечают требованиям, предъявляемым к строительным материалам.

Низкие формовочные свойства МК обуславливают склонность сырца к трещинообразованию, а его высокая активность приводит к • большим огневым усадкам при обжиге. Глиежи в естественном составе не пригодны для изготовления керамического материала в связи с низкой прочностью черепка. Из рассматриваемого сырья возможно получение качественных керамических изделий только с применением специальных технологических приемов или корректирующих добавок.

3. В работе в качестве активизирующих добавок использовались хлористые соли: хлорид натрия или хлорид кальция. Они вводились в шихту г вместе с водой затворения. В экспериментальной части работы после выбора рациональных составов шихт апробирована замена поваренной соли соляной рапой, добываемой в г.Братске для нужд хлорного завода АО "Братсккомплексхолдинг". '■о В третьей главе приведены результаты исследований по подбору

оптимальных составов предлагаемых масс и физико-механические свойств образцов на их основе.

Изучено поведение композитов с расходом глиежей в диапазоне от 20 до 80 масс.%. При усилии прессования 25 МПа и тепловлажностной обработке при температуре изотермии 90°С получен материал с прочностью при сжатии до 10 МПа, водопоглощением до 30 мас.% и коэффициентом размягчения до 0,65, что указывает на недостаточную водостойкость полученных изделий. С целью повышения прочности и водостойкости введены добавки хлористых солей ЫаС1 и СаС12. В результате за счет ускорения процессов растворения микрокремнезема в хлоридном растворе с

образованием кремнегеля прочность увеличилась до 18 МПа, коэффициент размягчения до 0,85. Водопоглощение при этом снизилось до 22 масс.%

Ввиду недостаточной прочности при сжатии и коэффициента размягчения проведен обжиг строительных композитов на основе МК и ГЛ. При усилии прессования 15 МПа и температуре обжига 900°С получен материал,' характеризующийся коэффициентом размягчения (0,82....2,16), относительно низкой средней плотностью (1,07...1,31 г/см3) и прочностью при сжатии (2,3... 17,5 МПа), водопоглощение которого избыточно (31,7—44,2 %).

С целью оптимизации рецептуры масс и установления степени влияния основных характеристик композитов на свойства исследуемого обожженного материала применялся метод математического планирования эксперимента. В качестве функций отклика рассматривались прочность при сжатии, средняя плотность, водопоглощение и коэффициент размягчения обожженных образцов.

Анализ полученных математических моделей показал, что в рассматриваемых интервалах варьируемые факторы оказывают существенное влияние на физико-механические характеристики материала. Выявлено, что максимальной прочностью (20,4 МПа) обладают образцы, содержащие 33 % глиежей и обожженные при 1000°С. Снижение температуры обжига до 900...950°С мало сказывается на изменении показателей водопоглощения и средней плотности, однако оказывает существенное влияние на прочность и коэффициент размягчения (прочность падает, а коэффициент размягчения возрастает). Для дальнейших исследований был принят состав с минимальным содержанием расхода глиежей (23 масс.%) ввиду того, что последние являются привозным компонентом смеси, а также тем, что в этом случае достигается минимальная средняя плотность материала -1,07 г/см3.

Для ускорения синтеза новообразований в обожженном черепке апробирован ввод в смеси хлорида натрия или кальция в количестве 1...6 % сверх 100 % основной массы, состоящей из 23 % глиежей и 77 % МК. Увеличено давление прессования до 30 МПа. Эти приемы позволили существенно снизить водопоглощение образцов и увеличить прочность материала.

Для улучшения условий труда и повышения качества формовки апробирована грануляция смеси на тарельчатом грануляторе при подаче на него растворов хлористых солей. Длительность гранулирования составляла 10 мин. Немаловажно, что в промышленных условиях грануляция позволит сократить расходы на доставку МК, обусловленные его низкой насыпной плотностью.

Установлено, что замена воды затворения на раствор хлорида натрия при грануляции сокращает образование крупных фракций, что снижает коэффициент сжатия шихты с 4 до 2,5 и положительно сказывается на конечных свойствах изделий.

Особо следует отметить, что в ряде случаев, применение хлористых солей приводит к резкому росту прочностных характеристик полуфабриката. Так, прочность при сжатии сырца и высушенного полуфабриката, отформованного из гранулята с содержанием 1 % №С1 , составляет соответственно 6,3 и 28,6 МПа. Для бездобавочного варианта эти ,, показатели равны 4,3 МПа и 13,2 МПа.

С увеличением расхода хлористых солей растет средняя плотность сырца, что свидетельствует о лучшем уплотнении смеси при прессовании и более полном удалении из нее воздуха. Для обожженных образцов с . ; увеличением расхода солей прослеживается снижение водопоглощения, что, очевидно, связано как с уплотнением сырца, так и с минерализующим действием добавок.

Таким образом, комплексное применение таких приемов, как .грануляция при подаче раствора хлористых солей и повышение давления прессования до 30 МПа позволило увеличить прочность , обожженных образцов с 8,3 до 56,5 МПа, снизив водопоглощение с 44,2 % : до 30,8 %. Средняя плотность материала при этом увеличилась с 1,07 до 1,27 г/см3, однако коэффициент конструктивного качества возрос в 5,7 раза.

С целью подтверждения эффективности действия хлористых солей параллельно проводились эксперименты с использованием МаС1 и СаС12 в соответствии с математическим планом ВОХ-3 (ВЗ), который предусматривает варьирование трех факторов на трех уровнях (табл.1).

Таблица 1.

Уровни и интервалы варьирования факторами_

Уровень Факторы варьирования

варьирования Количество Количество соли в Температура

МК в шихте, смеси, масс.% обжига, °С

масс.% (X]) (*») (*)

Нижний (-) 58 1 800

Средний (0) 67,5 3 900

Верхний(+) 77 5 1000

Интервал 9,5 2 100

В качестве откликов эксперимента фиксировались: средняя гщртность, прочность при сжатии, водопоглощение под вакуумом, коэффициент размягчения, огневая и общая усадки обожженных образцов.

Анализ полученных уравнений регрессии показал, что рациональным набором свойств характеризуется материал с добавкой 3 % №С1, обожженный при 900°С, имеющий следующие характеристики: средняя

плотность -1,3 г/см3; прочность -38 МПа; водопоглощение -до 28 %; коэффициент размягчения -0,74; огневая и общая усадки -1,4 и 1,7 % соответственно. Морозостойкость его составила более 35 циклов. Выявлено, что СаС12 позволяет добиться снижения водопоглощения до 28 % при относительно высоких показателях расхода добавки (5 масс.%) и температуре обжига (1000°С).

Для образцов с добавками наибольшие значения прочностных показателей отмечены при температуре 800°С, что послужило предпосылкой для изучения возможности дальнейшего снижения температуры обжига.

В четвертой главе приводятся результаты физико-механических, дериватографических, рентгенофазовых и порометрических исследований образцов рационального состава в сопоставлении с бездобавочным вариантом.

Для получения наиболее полного представления о фазовых превращениях, протекающих при термической обработке материала, использованы методы рентгенофазового и дериватографического анализов проб образцов, обожженных с интервалом в 50 °С.

Исследование процессов фазообразования проводилось на ранее подобранных составах масс: (ГЛ+МК) и (ГЛ+МК+ЫаС1 (СаС12)) термообработанных при температурах Ю0...1050°С. Для образцов фиксировались средняя плотность, водопоглощение, прочность при сжатии, коэффициент размягчения, огневая и общая усадки.

Анализ зависимостей физико-механических показателей от температуры термообработки показал, что средняя плотность (рис.1) и водопоглощение (рис.2) образцов с добавками хлористых солей ниже, чем в бездобавочном варианте. Ввод добавок обеспечивает резкий прирост прочности в диапазоне температур 500...750°С. В частности, прочность образцов с добавкой соли, обожженных при 750.°С, превышает аналогичный показатель без добавки почти в 8 раз (рис.1). Кроме того коэффициент размягчения для материала с добавкой хлоридов натрия или кальция выше, чем в бездобавочном (рис.2). Общая усадка для образцов как без добавки, так и с добавкой хлористой соли незначительна и не превышает 1,7 и 3 % соответственно.

При рентгенофазовом анализе количественные изменения фаз анализировались по выбранным аналитическим линиям шести обнаруженных фаз, а именно: кварца (0,334 нм); волластонита (0,297 нм), полевых шпатов (0,320 нм); кристобалита (0,403 нм); гематита (0,269 нм) и кальцита (0,302 нм) (рис.3).

По результатам рентгенофазового анализа установлено, что появление низкотемпературной Р-формы СБ (волластонита) для состава с

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Рис.1. Зависимость средней плотности и прочности при сжатии от температуры термообработки

Средняя плотность матери?ша. кг/м3 : ! - 6« добавки; 2 • с добавкой КаС

3- с добаыюй СяСЬ Прочность при сжатии. МПа : ¿ - без добавш: 5 - с добавкой NaCl

6- с добавкой СаСЬ

4

i t i i i М t i i i i i i i i 100 200 300 400 500 600 700 800- S00 1000 Температура, С Рис.2. Зависимости впдопогдощення н коэффициента ралмягчснпя от температуры термообработки

Содопогпощ-гние в теченни 48 ч, масс.%: I - 6« добавки; 2 - с добавки

NaCl; 3- с добавкой CaCh Коэффициент размягчения: 4 - без добапш; .1 • с добяюззй NaCl;

б - с добавкой СаС1г

добавкой №С1 или СаС12 зафиксировано при температурах 600 и 650°С соответствешю (рис.3 б, в). При этом прочность материала составляет для композиции с добавкой ЫаС1 - 69 МПа, с добавкой СаС12 - 66,4 МПа. Коэффициент размягчения в обоих случаях близок к 1,0 (рис.1). Морозостойкость образцов с добавкой СаС12 - более 120 циклов, с добавкой Ъ)аС1 - более 50 циклов. Резкий рост кристобалита при 750°С сопровождается приростом прочности материала до 77...81 МПа. Однако при этом коэффициент размягчения снижается до 0,63...0,65. При дальнейшем повышении температуры до 800° С происходит резкое падение прочности черепка. Последующий подъем прочности зафиксирован в температурном интервале 900... 1050°С.

Следует отметить, что в образцах из двухкомпонентной смеси волластонит не обнаружен (рис.3 а). Это позволяет сделать вывод о том, что ввод добавок хлористых солей приводит к появлению (З-формы СБ. Присутствие последнего, очевидно, способствует повышению закристаллизованности черепка и увеличению прочности обожженного материала. Косвенным подтверждением интенсифицирующего действия хлористых солей на процессы, происходящие при обжиге, служат результаты дериватографического анализа вышеназванных шихт.

Особо следует отметить, что в диапазоне температур обжига от 500 до 700 °С в материале уже фиксируется большинство фаз, сохраняющихся при более высоких температурах. Эффект ускорения минералообразования в относительно низкотемпературной зоне (500...700°С) связан с разложением СаС03 при температуре 500...550°С, что приводит к синтезу волластонита при температуре 600...650°С (рис.3 б, в).

Исследование поровой структуры керамических изделий проводилось в институте Катализа СО РАН методом ртутно-вакуумной порометрии на ртутном порометре " МкгопШпес" (США) с рабочим давлением до 9000 атм. Метод низкотемпературной адсорбции азота позволил определить истинные значения удельных поверхностей пор обожженных образцов по мере нагревания и сопоставить закономерности их изменения с характером кривых пористости.

Установлено, что по мере повышения температуры нагревания образцов вплоть до 400°С происходит незначительное увеличение удельной поверхности (табл.2), обусловленное удалением адсорбционной и кристаллогидратной воды, что подтверждается дериватографическим анализом. При дальнейшем повышении температуры от 400 до 650...700°С для составов с добавками хлористых солей отмечается резкое снижение удельной поверхности за счет протекания реакций в твердой фазе и раннего спекания. По данным РФА оно сопровождается появлением новой кристаллической фазы волластонита (при 600°С для состава с добавкой

г г « « П О

Температура термообработки, С

120

х

3

100

80

60

40

20

р/ * и г

ш / / / д

/ V \ г //Ч/ \ / у т— V ' ж л \\

\ / » — 1

ш 1

-»- •—V * ■А*

к • у

т- М И

и) О 40 <0

О О О «О

о о

Температура термообработки, С

Кварц (0,334) •• л--Гематит (0,269)

—о— Кальцит (0,302) -я- Кристобаллит (),248)

« Полевые шпаты (0320) • • * • • Волластонит (0,297)

Рис.З Интенсивность аналитических пикон кристаллических фаз для составов: а - б«з добавкм, б • с дсбавтой N»0!, э-сдобавюэй СаСЬ

ЫаС1 и при 650°С - для СаС12), что приводит к резкому повышению прочности материала. Увеличение удельной поверхности при температуре 750°С обусловлено модификационными превращениями кварца в кристобалит, что, очевидно, способствует разрыхлению микроструктуры. При этом несмотря на дальнейший прирост прочности (до 77...80 МПа), отмечено снижение коэффициента размягчения (до 0,63). Для состава из двухкомпонентной шихты увеличение удельной поверхности отмечается при температуре 950°С.

Таблица 2

Удельная поверхность и суммарный объем пор_

Температура термообработки, 0 С Удельная поверхность, м2/г Суммарный объем пор, мл/г

без добавки СаСЬ NaCl без добавки СаС12 NaCl

100 15 13 17 0,285 0,240 0,272

300 19 15 17 0,301 0,287 0,304

400 20 15 18 0,342 0,309 0,278

500 18 14 17 0,317 0,342 0,292

550 16 11 17 0,366 0,394 0,321

600 17 8,1 15 0,364 0,390 0,305

650 16 6,4 11,2 0,341 0,324 0,321

700 17 7,1 7,3 0,349 0,363 0,385

750 ' 17 18 14 0,347 0,360 0,346

800 19 7,2 8,4 0,372 0,405 0,349

850 15 6,9 4,5 0,371 0,391 0,320

900 И 9,6 2,5 0,376 0,385 0,334

950 21 4,3 2,9 0,361 0,409 0,323

1000 6,4 3,7 4,1 0,320 0,368 0,334

Дальнейшее повышение температуры термообработки от 750 до 1000°С образцов с добавками хлористых солей приводит к уменьшению удельной поверхности, что обусловлено накоплением жидкой фазы и более тесным контактированием частиц материала.

Результаты определения удельной поверхности пор образцов дополнительно характеризуют изменение их структуры в процессе термообработки и хорошо согласуются с данными, полученными методом ртутной порометрии.

Исследование процессов формирования структуры и экспериментальных шихт показывает, что характер формирования структуры материала при одинаковых режимах термообработки существенно зависит от присутствия хлористых солей.

Поры, согласно классификации М.М. Дубинина сгруппированы в три группы: макропоры (с эквивалентным радиусом более 0,2 мкм), переходные поры (от 1,5 х 10"4 ...0,2 мкм), микропоры (0,5 х 10"4 -1,4 х 10' 4мкм). •

Для образцов из бездобавочной шихты, термообработанных в интервале температур от 100 до 550°С, характерно преобладание макропор при значительном содержании переходных пор, размер которых составляет 0,0003 —0,01 мкм. Суммарная пористость образцов в этот период 0,285...0,366 мл/г.

Действие изученных хлористых солей на формирование структуры при различных температурах обработки несколько отличается. В частности, для образцов с добавкой СаС12 отмечено увеличение макропор и переходных пор при 400°С и 600°С, что очевидно связано с особенностями формирования фазового состава, а именно интенсивной кристаллизацией полевых шпатов и снижением содержания кварца.

Применение добавки №С1 в составе шихты обеспечивает прирост макропор и особенно переходных пор при 850°С, что хорошо согласуется с рентгенофазовым анализом. Так, при этой температуре отмечается резкий рост кристобалита и уменьшение содержания кварца. Особенно следует , отметить, что при температуре 650°С для образцов с добавками хлористых солей отмечено резкое снижение содержания макропор и переходных пор, и повышение микропор в структуре материала, что в свою очередь согласуется с данными морозостойкости образцов. Так, для состава с ; добавкой КаС1 морозостойкость составила более 50 циклов, ■ а для СаС12-более 120 циклов. Образцы из двухкомпонентной шихты, обожженные при температуре 650°С, испытаниям на морозостойкость не подвергались ввиду низких физико-механических показателей; двухкомпонентный материал, обожженный при 900°С, характеризуется морозостойкостью 15 циклов.

Таким образом, в результате проведенных исследований выявлены особенности фазо- и структурообразования керамического материала на основеМК, ГЛ и хлористых солей. Установлено, что образование при обжиге новых минеральных фаз и развитая равномерная пористость обеспечивают высокие показатели физико-механических свойств готовых изделий. Полученные данные позволяют сделать вывод о возможности низкотемпературной (500...700°С) технологии производства стенового материала с добавкой хлористой соли. При этом достигаются следующие физико-механические характеристики (табл.3).

Результаты исследований позволили определить оптимальную температуру обжига, которая составляет 650°С. При этом материал отвечает требованиям, предъявляемым к лицевым изделиям и отличается высокими показателями по прочности и морозостойкости.

Таблица 3

Физико-механические характеристики материала_

Свойства изделий Темпе ратура обжига, 0

500 550 600 650 700

Средняя плотность, кг/мЗ

а ' 337 1334 1344 1329 1309

б 1325 1334 1340 1315 1271

в 1403 1359 1355 1360 1331

Водопоглощение, масс.%

а 25.3 28.1 26.4 24.7 25.5

б 27.0 28.7 27.0 28.0 28.1

в 29,9 31,8 30,5 31,3 32,8

Прочность при сжатии, МПа

а 25.0 45.3 53.2 69.1 58.4

б 48.6 55.1 51.2 66.4 65.4

в 8,57 9,38 11,3 11,94 15,11

Коэффициент размягчения

а 0.73 1.22 0.98 0.92 0.89

б 0.85 1.09 0.99 1.04 1.18

в 0,70 0,73 0,64 0,67 0,83

Коэффициент

конструктивного

качества х10-2, МПа а 1.87 3.39 3.94 5.20 4.46

[ кг/мЗ] б 3.67 4.13 3.82 5.05 5.15

в 0,61 0,69 0,83 0,88 1,13

Примечание: указаны значения: а) для образцов с ЫаС1;

б) для образцов с СаС12; в) для образцов без добавки.

В пятой главе представлен сравнительный анализ технологических схем получения керамических материалов существующих производств г. Братска и предлагаемого. Приведены данные полупромышленного эксперимента.

В Братске существует два кирпичных предприятия: Братский завод керамических материалов (БЗКМ) и АОЗТ " Комбинат производственных предприятий" (АОЗТ КПП). Оба завода базируются на закарбонизованном суглинке Анзебинского месторождения, обуславливающем низкую морозостойкость изделий.

Кроме того, актуальность поставленной в работе задачи усиливается тем, что в Братском районе не производится лицевой кирпич.

Полупромышленное испытание предлагаемых стеновых материалов, полученных на основе МК и глиежей с добавкой хлорида кальция, проводилось в ЛИСМ ПТИ Братскгэсстроя, в цехе производства кирпича АОЗТ КПП и в цехе художественной керамики ЧП "Александэр".

По качественным показателям, изготовленная партия кирпича отвечает требованиям ГОСТ 530-95 "Кирпич и камни керамические" и ГОСТ 7484-78 "Кирпич и камни керамические лицевые" для марок 250.

i V

Морозостойкость составила более 35 циклов для изделий, обожженных при температуре 950°С и более 50 циклов - при 650°С.

На основании результатов полученных экспериментальных исследований и полупромышленных испытаний разработана принципиальная технологическая схема производства кирпича на основе МК, ГЛ и добавки хлористой соли на базе существующего производства БЗКМ. Она предусматривает перемешивание МК в стержневом смесителе с предварительно измельченными в тангенциальной мельнице глиежами до остатка на сите 008 не более 5 % в стержневом смесителе; гранулирование , смеси с помощью гранулятора при подаче на него раствора хлористой соли; прессование на прессе полусухого прессования и обжиг в туннельной печи.

Анализ принятой на БЗКМ схемы производства керамических изделий, получаемых крайне дорогим порошково-пластическим способом переработки глинистого сырья, показал, что для осуществления выпуска предлагаемых изделий на БЗКМ необходима установка гранулятора и пресса полусухого прессования (взамен ленточного пресса пластического прессования). Сушку и обжиг возможно, производить на существующем оборудовании. При замене глинистого сырья на предлагаемый гранулят, устраняется энергоемкая операция измельчения и высушивания всей массы сырья тангенциальной молотковой мельницей. В рекомендуемой схеме измельчению подвергается лишь один компонент смеси - глиежи, расход которого в сырьевой смеси рационального состава - 30 масс.%.

Экономическая эффективность от использования МК, ГЛ и добавки хлористой соли определяется снижением затрат на сушку и обжиг изделий за счет технологии полусухого прессования и снижения конечной температуры обжига, а также повышением качества продукции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1.Глиежи Богучанского месторождения образовались в результате самообжига угленосных пород в естественных условиях в течение длительного времени. В составе пород присутствуют кварц, полевые шпаты, гематит и карбонаты. По химическому составу глиежи относятся к группе полукислого сырья. Микрокремнезем представляет собой ультрадисперсный порошок серого цвета с содержанием диоксида кремния до 96,5 %,„Кристаллическая фаза представлена кремнием, карборундом и графитом. По химическому составу микрокремнезем относится к кислому сырью.

2. Низкие формовочные свойства МК обуславливают склонность сырца к трещинообразованию, а его высокая активность приводит к большим огневым усадкам при обжиге. Глиежи в естественном составе не пригодны для изготовления керамического материала в связи с низкой

прочностью черепка. Из рассматриваемого сырья возможно получение качественных керамических изделий только с применением специальных технологических приемов или корректирующих добавок.

3. Радиационно-химическая оценка глиежей и микрокремнезема свидетельствует о том, что материалы отвечают требованиям, предъявляемым к строительным материалам.

4. Установлена возможность получения безобжиговых строительных материалов из композитов на основе микрокремнезема (МК) и глиежей (ГЛ) при соотношении МК:ГЛ=70:30 с добавкой хлорида натрия при тепловлажностной обработке при температуре изотермии 90 °С, за счет ускорения процессов растворения микрокремнезема в хлоридном растворе с образованием кремнегеля;

5. Показана возможность использования глиежей (23-41 масс.% ) и микрокремнезема (77-59масс.%) для получения стеновых керамических изделий. Предложен способ их изготовления, включающий дополнительное увлажнение материала после обжига при 900...950°С, обеспечивающий повышение прочности за счет разложения карбонатов кальция и магния и ускорения твердофазового спекания.

6. Установлена возможность получения керамических изделий, полученных на основе глиежей (42-83 масс.%) и микрокремнезема (58-17 масс.%), обожженных при температуре 1000°С. В этом случае материал характеризуется более высокой средней плотностью и прочностью при сжатии, и меньшим водопоглощением в сопоставлении с образцами, обожженными при 900...950°С.

7. Для ускорения синтеза керамического черепка предусмотрено введение в шихту хлорида натрия или кальция и выявлено сильное минерализующее действие последних, косвенным подтверждением чему служит прирост прочности материала при сохранении значений средней плотности черепка. Выявлено, что введение до 3 масс. % хлористой соли в шихту, содержащую 70 % микрокремнезема и 30 % глиежей наряду с заменой пресс-порошка на гранулят, полученный при подаче хлористых солей в смесь при гранулировании на тарельчатом грануляторе, повышается качество формовки (происходит снижение коэффициента сжатия шихты с 4 до 2,5), при этом дополнительно снижается водопоглощение изделий и повышается как прочность сырца и высушенного полуфабриката, так и прочность готовых изделий.

8. Прослежены основные физико-механические свойства материалов на основе (МК + ГЛ) и (МК + ГЛ + Добавка) в интервале температур 50...1050°С. Выявлено, что средняя плотность и водопоглощение образцов с добавками солей ниже, чем в бездобавочном, а прочность при

сжатии, коэффициент размягчения и коэффициент конструктивного качества выше.

9. Установлено, что введение хлорида натрия или кальция в количестве 3 масс.% в смеси на основе микрокремнезема и глиежей снижает температуру разложения СаС03 до 500...550 °С, что приводит к синтезу волластонита при низких температурах 600...650 °С;

10. Разработаны составы строительных масс и предложены технологические приемы их переработки, позволяющие обеспечить производство эффективных стеновых изделий из доступных и недорогих сырьевых материалов. Разработан технологический регламент на изготовление стеновых материалов на основе МК, ГЛ и хлористой соли.

11. Сравнительный анализ морозостойкости образцов, обожженных при температурах 650 и 900°С с добавками солей доказывает приемлемость низкотемпературного обжига изделий. Так, материал, обожженный при 650° имеет морозостойкость 50 циклов для NaCl и более 120 циклов для СаС12, когда при 900°С этот показатель равен 35 и 50 циклам соответственно.

12. Разработанные составы и технология изготовления стеновых материалов на основе МК, ГЛ и добавки хлористой соли обеспечивает получение кирпича, отвечающего требованиям ГОСТ 530-95 "Кирпич и камни керамические" и ГОСТ 7484-78 "Кирпич и камни керамические лицевые" для марок 250. 14. При использовании корректирующей добавки снижены затраты на термообработку в связи с существенным понижением конечной температура обжига.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. М.А. Садович., Т.Ф. Шляхтина., H.A. Лохова., O.E. Волкова. Выбор оптимального направления использования глиежей Богучанского месторождения // Актуальные проблемы материаловедения: Материалы всероссийской НТК, г.Томск, 1998 г., с.59

2. М.А.Садович., Н.А.Лохова., Е.Б.Сеничак., О.Е.Волкова. Эффективные стеновые материалы на основе микрокремнезема // Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии реконструкции и нового строительства: Тезисы докл. межд. конгресса //, г.Новосибирск, 1998г. с.37

3. Н.А.Лохова., И.А.Макарова., О.Е.Волкова. Влияние температуры обжига на свойства изделий, полученных на основе глиежей и микрокремнезема // Современные проблемы строительного материаловедения: Тез докл.международной НТК, г.Пенза, 1998 г., с.115

4. Н.АЛохова., И.А.Макарова., О.Е.Волкова. К вопросу о влиянии хлористых солей на свойства керамических материалов из местного сырья //

Материалы XVI межвузовской НТК КрасГАСА //, г.Красноярск, 1998 г.,с.99

5. Н.А.Лохова., И.А.Макарова., О.Е.Волкова. Технологические аспекты использования техногенных отходов в обжиговых материалах. // Технологические и экологические аспекты комплексной переработки минерального сырья: Тезисы докл. международной НТК// г.Иркутск, 1998 г.,с. 100.

6. О.Е.Волкова., Н.Н.Грибачева., Н.В.Минеева., Е.ИЛковлев. Способы регулирования свойств керамических изделий на основе глиежей // Материалы XIX НТК БрИИ//г.Братск, 1998 г., с. 235.

7. О.Е.Волкова., Н.А.Лохова., И.С.Рубайло. Оценка глиежей Богучанского месторождения как сырья для производства стеновой керамики// Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс - 4 -98: Тез. Докл. 4-Ой международной НТК // г.Барнаул, 1998 г., с.24.

8. О.Е.Волкова. Использование местного природного и техногенного сырья в производстве стеновой керамики // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций. Материалы международной НТК// г.Волгоград, 1998 г., ч.1., с.69.

9. H.A. Лохова, О.Е.Волкова. Стеновые керамические материалы на основе микрокремнезема и глиежей Богучанского месторождения // Известия вузов.Строительство // 1999г., № 2-3., с.62.

10. Н.АЛохова., И.А.Макарова., О.Е.Волкова., И.С.Рубайло. Низкотемпературная технология приготовления керамических изделий // Нетрадиционные технологии в строительстве: Материалы межд. семинара // г.Томск, 1999 г., ч.2, с.132.

11. О.Е.Волкова., Н.А.Лохова., И.А.Макарова., И.С.Рубайло. Особенность фазового состава и свойств керамического материала на основе микрокремнезема и глиежей // Известия вузов.Строительство // 2000 г., № 5

12. О.Е.Волкова., Д.В.Саитов., Р.С.Борисов. Результаты опытно-промышленного испытания керамических материалов на основе микрокремнезема и глиежей. // Материалы XXI НТК БрГТУ // г.Братск, 2000 г., с.

13. Патент РФ № 2130912 МКИ6 С 04 В 35/14, 35/16. Сырьевая смесь для изготовления стеновых керамических изделий. Садович М,А., Тацки Л.К., Лохова H.A., Волкова O.E. // Опубл.Бюл.Открыт.Изобрет,-1999.-№15

14. Патент РФ № 2130913 С 04 В 35/14, 35/16. Сырьевая смесь и способ изготовления стеновых керамических изделий Садович М.А., Лохова H.A., Волкова O.E.,Яковлев Е.И.// Опубл.Бюл.Открыт.Изобрет.-1999.-№15

Автор вырйжает признательность сотрудникам института Земной коры Кирчанову А. Л • , Куликовской H.A. и Красноярской архитектурно-строительной академии Рубайло И.С. за помощь при проведении пороМетрического, рентгенофазового и дериватографического анализов, а также Кудякову А. И. за ценные замечания и консультации при подготовке работы.

Подписано в печать 31.05.2000 г. Формат 60 х 84'/|6. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,4. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 154.

Отпечатано в издательстве БрГТУ 665709, Братск, ул. Макаренко, 40

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения о глиежах и микрокремнеземе

1.2. Строительные композиты на основе горелых пород или глиежей

1.2.1. Строительные композиты низкотемпературного твердения

1.2.1.1. Бесцементные вяжущие

1.2.1.2. Малоцементные и смешанные вяжущие

1.2.1.3. Крупнозернистые строительные смеси

1.2.2. Строительные композиты высокотемпературного твердения ¿

1.3. Строительные композиты на основе микрокремнезема высокотемпературного твердения

1.4. Модификация строительных смесей хлористыми солями при производстве обжиговых материалов

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ И ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Методики исследований.

2.2. Характеристика глиежей Богучанского месторождения

2.2.1. Геологическое описание месторождения •

2.2.2. Технологические свойства

2.2.3. Химический и гранулометрический состав

2.2.4. Минеральный состав

2.2.5. Спекаемость

2.2.6. Радиационно-химическая оценка 54"

2.3. Характеристика микрокремнезема

2.3.1. Схема образования отхода •

2.3.2. Технологические свойства

2.3.3. Химический и гранулометрический состав

2.3.4. Минеральный состав

2.3.5. Спекаемость

2.3.6. Радиационно-химическая оценка ,62',

2.4. Корректирующие добавки

2.5. Выводы

3. РЕГУЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ОБЖИГОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОЛУСУХОГО ПРЕССОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ГЛИЕЖЕЙ И МИКРОКРЕМНЕЗЕМА

3.1. Исследование физико-механических характеристик материалов из двухкомпонентных смесей

3.2. Результаты предварительных исследований физико-механических характеристик материалов из трехкомпонентных смесей

3.2.1. Влияние хлористых солей на физико-механические характеристики материала ,85'

3.2.2. Влияние грануляции на физико-механические характеристики материала

3.3. Оптимизация составов обжиговых масс на основе трехкомпонентных смесей и исследование их физико-механических свойств

3.3.1. Исследование влияния добавки NaCl на основные характеристики материала

3.3.2. Исследование влияния добавки СаС1г на основные характеристики материала

3.3.3. Сравнительный анализ действия хлористых солей

3.3.4. Изучение морозостойкости материалов

3.4. Выводы

4. ВЗАИМОСВЯЗЬ ФАЗОВОГО СОСТАВА С.ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ И СТРУКТУРОЙ МАТЕРИАЛА

4.1. Особенности фазового состава материала на основе микрокремнезема и глиежей

4.2. Изучение морозостойкости

4.3. Изучение поровой структуры

4.4. Выводы

5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

5.1. Сравнительная оценка технологических параметров изготовления изделий на кирпичных предприятиях г.Братска ^0'

5.1.1. Анализ производства керамических изделий на

5.1.2. Технологическая схема производства кирпича и керамического камня на БЗКМ

5.1.3. Характеристика изделий, выпускаемых БЗКМ

5.1.4. Анализ производства керамических изделий на

АОЗТ КПП

5.1.5. Технологическая схема производства кирпича и керамического камня на АОЗТ КПП

5.1.6. Характеристика изделий, выпускаемых АОЗТ

КПП • 138'

5.2. Анализ технологических схем использования микрокремнезема в производственных условиях

5.3. Описание предлагаемой технологии 144?

5.4. Выпуск опытной партии в цехе производства кирпича АОЗТ КПП и цехе художественной керамики ЧП "Александэр"

5.5. Экономический эффект от использования микрокремнезема

5.6. Экологическая эффективность использования микрокремнезема в производстве стеновых обжиговых материалов.

5Л 6ЫВОДЫ,

Высокая материале»- и энергоемкость производств стеновых материалов при невысоком качестве выпускаемой продукции по причине отсутствия в достаточном количестве природного минерального сырья является характерной чертой большинства предприятий Восточной Сибири. Необходимо проведение работ по расширению сырьевой базы за счет вовлечения новых видов природного сырья, а также промышленных отходов ранее мало используемых в области обжиговых материалов, объемы которых настолько велики, что позволяют оценивать их, как промышленные запасы.

Минимизация энергозатрат на изготовление обжиговых материалов может быть достигнута вовлечением в производство дисперсных или легко добываемых и перерабатываемых компонентов, имеющих "тепловое прошлое", с частичной или полной аморфизацией структуры. К таким сырьевым компонентам можно отнести микрокремнезем (крупнотоннажный ультрадисперсный отход производства кристаллического кремния) и глиежи ( природные горелые породы). Ценность глиежей в сравнении с глинистым сырьем заключается в их повышенной физико-химической активности и относительно высоком содержании оксида алюминия, в том числе растворимого. Небольшая глубина залегания и выход пластов на поверхность предопределяют экономическую целесообразность их переработки и использования.

При замене традиционного глинистого сырья вышеуказанными активными компонентами возможно получение стеновых материалов (как рядовых, так и лицевых) с улучшеными качествами и стабильными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Диссертация выполнена в рамках тематических планов научно-исследовательских работ Братского государственного технического университета.

Цель и задачи исследований.

Целью работы является разработка строительных композитов и научно-обоснованных технологических приемов для изготовления эффективных стеновых материалов на основе микрокремнезема и глиежей.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать свойства природного (глиежей) и техногенного (микрокремнезема) сырья и оценить его пригодность для изготовления стеновых материалов;

2. Обосновать подбор корректирующей добавки для интенсификации структурообразования при термообработке материала;

3. Установить рациональные составы масс и режимы термообработки отформованных образцов, обеспечивающие соответствие нормативным документам, в том числе предъявляемым к лицевым стеновым изделиям;

4. Исследовать структуро- и фазообразование образцов из предлагаемых композитов в температурном интервале Ю0.1050°С и выявить их отличительные особенности в сравнении с композицией без добавки;

5. Провести опытно-промышленные испытания и разработать технологический регламент изготовления изделий;

6. Охарактеризовать технико-экономическую эффективность использования глиежей и микрокремнезема в качестве основных • компонентов для производства стеновых материалов.

Объекты исследований

В работе проведены исследования на сырье природного (глиежи) и техногенного (микрокремнезема) происхождения.

В качестве корректирующих добавок использовались хлористые соли : хлорид натрия и хлорид кальция.

Методы исследований

Основные исследования проведены на кафедре строительного материаловедения и технологий БрГТУ.

Для определения состава сырья и керамического черепка применялись методы химического, рентгенофазового и дериватографического анализов.

Анализ поровой структуры образцов осуществлен с использованием ртутно-вакуумной порометрии.

Для оптимизации составов шихт и технологических параметров их подготовки и обжига использован метод математического планирования эксперимента.

Научная новизна работы:

1. Установлена активирующая роль микрокремнезема в композициях с содержанием глиежей до 41 масс.%, при обжиге до температур 900.950 °С,за счет взаимодействия его с продуктами разложения карбонатов кальция и магния и ускорения твердофазового спекания;

2. Установлено возможность улучшения прочностных свойств обожженных изделий из композиций на основе микрокремнезема и глиежей посредством водной обработки за счет образования и твердения кремнегеля;

3. Установлена возможность получения безобжиговых строительных материалов из композитов на основе микрокремнезема (МК) и глиежей (ГЛ) при соотношении МК:ГЛ=70:30 с добавкой хлорида натрия при тепловлажностной обработке при температуре изотермии 90 °С, за счет ускорения процессов растворения микрокремнезема в хлоридном растворе с образованием кремнегеля;

4. Установлено, что введение хлорида натрия или кальция в количестве 3 масс.% в смеси на основе микрокремнезема и глиежей снижает температуру разложения СаС03 до 500.550 °С, что приводит к синтезу волластонита при низких температурах 600. .650 °С;

5. Установлено, что введение хлорида натрия или кальция в количестве 1 масс.% сверх 100 масс.% основной смеси на основе микрокремнезема и глиежей при ее грануляции на тарельчатом грануляторе приводит к уменьшению образования крупных фракций, тем самым снижая коэффициент сжатия шихты с 4 до 2,5 и повышая прочность как сырца (до 13 МПа), так и высушенного полуфабриката (до 30 МПа).

Практическая ценность работы:

1. Разработаны составы керамических масс и предложены приемы их переработки, позволяющие обеспечить производство эффективных керамических изделий из доступных и недорогих сырьевых материалов, при этом сокращаются затраты на переработку сырья и изготовление изделий за счет вовлечения в производство мелкодисперсного высокоактивного сухого компонента (МК) и глиежей, содержащих аморфизированную составляющую;

2. При использовании строительных композитов с корректирующей добавкой снижены затраты на термообработку в связи с существенным понижением конечной температуры обжига;

3. Разработанные составы обжиговых масс и способы изготовления изделий на их основе защищены двумя патентами и двумя положительными решениями;

4. Разработан технологический регламент на изготовление стеновых материалов на основе микрокремнезема, глиежей и добавки хлорида натрия или кальция;

5. Разработана установка для изготовления натурных образцов , кирпичей полусухого прессования в лабораторных условиях. Результаты исследований и установка используются в учебном процессе.

Апробация работы:

Основные положения работы докладывались на ХУП-ХХ1 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава БрГТУ в 1996-2000 г.г., на всероссийской научно-технической конференции в Томске в 1998 г., на международном конгрессе в.Новосибирске в 1998 г., на международных научно- технических конференциях в Иркутске, Барнауле, Пензе, Волгограде (1998 г), на региональной научно-практической конференции в Иркутске в 1998 г., на XVI межвузовской конференции в Красноярске в 1998 г. Кроме того, материалы работы были представлены в международном выставочном центре " Сибэкспоцентр" г.Иркутска (1999 г. и 2000 г.) в рамках выставок "Наука, образование, новые технологии: стратегия и тактика развития" и "Технология и энергосбережение". В рамках последней выставки получен диплом лауреата премии губернатора Иркутской области в номинации " Молодые ученые" за разработку ресурсо- и энергосберегающей технологии производства стеновой керамики.

Публикации:

По материалам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе два патента № 2130912, № 2130913. Кроме того, получены два положительных решения ФИПС по заявкам № 98115415, № 98116985.

Автор выражает признательность сотрудникам института Земной коры Кирчанову А., Куликовской H.A. и Красноярской архитектурно-строительной академии Рубайло И.С. за помощь при проведении порометрического, рентгенофазового и дериватографического анализов, а также Кудякову А.И. за ценные замечания и консультации при подготовке работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1 .Глиежи Богучанского месторождения образовались в результате самообжига угленосных пород в естественных условиях в течении длительного времени. В составе пород присутствуют кварц, полевые шпаты, гематит и карбонаты. По химическому составу глиежи относятся к группе полукислого сырья. Гранулометрический состав преимущественно представлен щебнем размером от 2 до 70 мм в количестве 64.67 % и частицами 0,5. 0,005 мм и менее- 21.25 %.

2. Микрокремнезем представляет собой ультрадисперсный порошок серого цвета с содержанием диоксида кремния до 96,5 %. Кристаллическая фаза представлена кремнием, карборундом и графитом. По химическому составу микрокремнезем относится к кислому сырью.

3. Радиационно-химическая оценка глиежей и микрокремнезема свидетельствует о том, что материалы отвечают требованиям, предъявляемым к строительным материалам.

4. Низкие формовочные свойства микрокремнезема обуславливают склонность сырца к трещинообразованию, а его высокая активность приводит к большим огневым усадкам при обжиге. Глиежи в естественном составе не пригодны для изготовления керамического материала в связи с низкой прочностью черепка.

5. Из рассматриваемого сырья возможно получение качественных керамических изделий только с применением специальных технологических приемов или корректирующих добавок.

6. Установлена возможность получения безобжиговых строительных материалов из композитов на основе МК, ГЛ с добавкой хлорида натрия при тепловлажностной обработке при температуре изотермии 90°С, за счет ускорения процессов растворения микрокремнезема в хлоридном растворе с образованием кремнегеля;

7. В результате экспериментальных и опытно-промышленных исследований обоснована и разработана ресурсосберегающая технология керамического кирпича на основе крупнотоннажного отхода производства -микрокремнезема и природных горелых пород - глиежей с добавкой хлористой соли.

8. Запатентован способ изготовления керамических материалов на основе МГ, ГЛ и хлористой соли, включающий приготовление шихты с предварительной грануляцией на тарельчатом грануляторе при подаче на него раствора хлористой соли, прессование и обжиг при 900-1000°С.

9. Выявлены и обоснованы рациональные составы шихты, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства керамических стеновых материалов на основе отходов (70 %) при минимальном содержании привозного дегидратированного глинистого сырья (30 %).

10. Установлено, что введение хлорида натрия или кальция в количестве 3 масс.% в смеси на основе микрокремнезема и глиежей снижает температуру разложения СаС03 до 500.550°С , приводит к синтезу волластонита при низких температурах 600.650°С, что в свою очередь способствует повышению прочности до 70 МПа;

11. Установлено, что образование при низкотемпературном обжиге новых кристаллических фаз (волластонита) и развитая равномерная пористость (преимущественно микропоры) обеспечивают высокие показатели физико-механических свойств готовых изделий;

12. Сравнительный анализ морозостойкости образцов, обожженных при температурах 650 и 900°С с добавками солей доказывает приемлемость низкотемпературного обжига изделий. Так, материал, обожженный при 650° имеет морозостойкость 50 циклов для КаС1 и более 120 циклов для СаС12, когда при 900°С этот показатель равен 35 и 50 циклам соответственно.

165

13. Разработанные составы и технология изготовления стеновых материалов на основе МК, ГЛ и добавки хлористой соли обеспечивает получение кирпича, отвечающего требованиям ГОСТ 530-80 "Кирпич и камни керамические" и ГОСТ 7484-78 "Кирпич и камни керамические лицевые" для марок 250.

14. Экономическая эффективность от использования МК, ГЛ и добавки хлористой соли определяются снижением затрат на сушку и обжиг изделий за счет использования метода технологии полусухого прессования и снижения конечной температуры обжига, а также повышением качества продукции.

1. Канцеполъский И.С. Глиежпортландцемент. -Ташкент: -1941.- 87 с.

2. Канцепольский И.С. Глиеж как активная минеральная добавка. /Издательство АН УзССР. -.Ташкент,- 1958. -334 с.

3. Канцепольский И.С., Стравчинский А.И., Колонтарев И.Х. Гидротермальная обработка глиежпортландцемента.- Ташкент. 1965.-92 с.

4. Канцепольский И.С. Глиежпортландцемент для гидротехнических сооружений./- Ташкент,- 1974.-с.6-19.

5. Барилович И.С., Александров И.П.,Ясевич А.И. Глиежбетон -стеновой материал на местном сырье. "Строительство и. архитектураУзбекистана". 1961, N 6.

6. Барилович С.И., Тамразова З.С., Ясевич А.И. Получение мелкозернистого поризованного глиежбетона на глиеже Ангренского месторождения. / Труды ТашИИТа. Вып. 58,- 1970.-с.40-47.

7. Барилович С.И., Шевляков П.Е., Купеев К.Г. Строительные растворы на основе известковоглиежного вяжущего. / Труды ТашИИТа. -Ташкент Вып.31,- 1965.34-41.

8. Барилович СИ., Ясевич А.И., Гамразова З.С. Глиежбетон на глиеже Ташкумырского местрождения. Труды ТашИИТа."Строительные материалы и конструкции". Вып. 68. 1970.

9. Барилович СИ., Ясевич А.И. Некоторые свойства глиежбетона. / Труды ТашИИТа./ Вып. 32.Строительные материалы,- 1965,- с.3-25.

10. Барилович СИ., Федоров А.Г., Ясевич А.И. Экспериментальные исследования армированных конструкций из глиежбетона. Труды ТашИИТа. Вып. 32. Строительные материалы, 1965.

11. Барилович СИ., Александров Н.П., Ясевич А.И. Глиежбетон -стеновой материал на местном сырье. "Строительство и архитектура Узбекистана". N 6, 1965.

12. Барилович С.И., Купеев К.Г. Глиежгазобетон. / Строительство и архитектура Узбекистана,- 1965,-N 7.-с.36-38.

13. Барилович С.И., Купеев К.Г. Аглопоритобетон на основе известково-глиежного вяжщего. / Строительство и архитектура Узбекистана .- 1965,- N 5 -с.33-36.

14. Барилович С.И., Купеев К.Г. К вопросу о сульфатостойкости известково-глиежного вяжущего. / Труды ТашИИТа,- Вып. 68. -ТашкенТ. -1970.-с.26-42.

15. Купеев К.Г. Поризованный глиежбетон. / Труды ТашИИТа. Вып. 68. -1970.-с.20-25.

16. Купеев К.Г. Микропористый глижбетон. / Строительство и архитектура Узбекистана,- 1965,- N 9.-е. 17-19.

17. Болквадзе Л.С., Джапаридзе А.Г. Крупнозернистый автоклавный бетон на базе горелых пород. / Строительные материалы,- 1963,- N 8.-15-17.

18. Болквадзе Л.С., Джапаридзе А.Г. К вопросу изучения основных строительных ствойств известково-горелопородного крупнозернистого бетона автоклавного твердения. / Сборник трудов НИИСМ. Вып. 11, Тбилиси.-! 967. с. I 10-117.

19. Купеев К.Г. Исследование свойств глиежбетонов и растворов на глиежах Средней Азии. Автореферат канд. диссертации. Ташкент, 1970.

20. Кулешов Т.К. Отвальные черемховские горелые породы активный мелкий заполнитель для керамзитобетона. Автореферат, канд. диссертации. Новосибирск, 1974.

21. Джапаридзе А.Г. Автоклавные бесцементные бетоны из горелых пород. Автореферат канд. диссертации. Тбилиси, 1972.

22. Полевский А.И. Комплексное исследование свойств и технологии переработки горелых пород. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Новосибирск, 1969.

23. Книгина Г.И. Химическая стойкость строительных материалов из горелых пород. BULETINUL INSTITUTULUI POLITEHNIC . SERIE NOUA DIN IASI Tomul VI (x), Fase 3-4, 1960.-е.93-98.

24. Книгина Г.И. К генезису гидравлической активности горелых пород Кузбасса. Труды. Вып 5, Новосибирск, 1961.-е.3-8.

25. Книгина Г.И., Баландина Т.С. Активизация твердения известково-глиежевых вяжущих добавками природных перлитов. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 1 1-12, 1963.-с.92-100.

26. Книгина Г.И. Твердение и долговечность активизированных известково-глинистых вяжущих из горелых пород. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 11-12, 1963.-с.86-93.

27. Книгина Г.И., Загоренко В.Д., Баландина Т.С. Опыт получения безавтоклавного газобетона из природных горелых пород. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 5, 1962.-с.78-86.

28. Книгина Г.И. Ячеистые бетоны из горелых пород Кузбасса. Производство легких бетонов в Западной Сибири, Новосибирск, 1962 -с. 130-139.

29. Книгина Г.И. Активность алюмосодержащих добавок при гидротермальной обработке. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 1, Новосибирск, 1966.-с.86-92.

30. Книгина Г.И., Арапов В.П., Осипова J1.B. Влияние горелых пород на жаростойкость цементного камня. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 6, 1966,-с.58-64.

31. Книгина Г.И., Арапов В.П. Горелые породы заменитель шамота в жароупорных бетонах. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 2, 1968.-C.61-67.

32. Книгина Г.И., Полевский А.И. Адсорбционно-обменные характеристики горелых пород. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 8, 1968.-с.74-78.

33. Книгина Г.И., Баландина Г.С., Парасовченко М.П. Строительные материалы из черемховских горелых пород. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 5. 1971 .-с.96-100.

34. Книгина Г.И. Исследование адсорбционной активности горелых пород и цемянок методом фотоэлектоколориметром. Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура N 2, 1962.-с.82-88.

35. Барилович С.И., Купеев К.Г. Исследование свойств известково-глнежного вяжущего. Ташкент, труды ТашИИТа, вып. XXXII, 1965.-е.

36. Садович М.А., Мартинес A.M., Брюханов Г.В. Применение богучанских глиежей в гидротехническом бетоне./ Гидротехническое строительство,- 1988,- N 5.-е.53-56.

37. Строительные материалы Восточной Сибири. Межвузовский сборник. Иркутск, 1976.

38. Байков A.A. Пуццолановые цементы. НКПС. М.: 1927,- с.

39. A.c. 1188130 С 04 В 14/04 Сырьевая смесь для изготовления керамических материалов.

40. Прогрессивные материалы и технологии для строительства./ Тез.докл. международной конференции по проблемам использования вторичного сырья и производства строительных материалов.-Новосибирск.-1994. -74 с.

41. Суслов.В.В. Краткое изложение исследований Новгородского Софийского собора./ Зодчий. -1894. №4.

42. Юнг В.И. "Основы технологии вяжущих веществ". М Промстройиздат, 1951.

43. Волженский A.B. Минеральные вяжущие вещества. / Стройиздат. -М.:-1979. -464 с.

44. ГОСТ 5802-51 Растворы для кладки. Методы физических и механических испытаний.

45. Коледин В.В. Исследование фазового состава и свойств минеральных расплавов на основе горелых горных пород. / Сборник тезисов докладов НТК.- Новосибирск. 1996. - ч.2. с.

46. Панова В.Ф. Сырьевая база для жилищного строительства в Кузбассе. / Материалы межд. НТК. Новосибирск. -1997. - ч.2. с.68-70.

47. Коледпна A.M., Коледин В.В. Деревобетон на основе шлакощелочных вяжущих. Материалы межд. НТК. Новосибирск. -1997. -4.2. с.80-81.

48. Садович М.А., Шляхтина Т.Ф., Волкова O.E. Перспективы использования глиежей Богучанского месторождения // XVII НТК, БрИИ,1996 г., с. 133;

49. Садович М.А., Шляхтина Т.Ф., Лохова H.A., .Волкова O.E. Выбор оптимального направления использования глиежей Богучанского месторождения // Актуальные проблемы материаловедения: Материалы всероссийской НТК , г.Томск, 1998 г., с.59

50. Богучанские глиежи. Научно-технический отчет и технико-экономическое обоснование. -Братск. -1991. 72 с.

51. Широков Ю.Г., Дубынин Д.М. Отчет о результатах договорной НИР. Гигиеническая оценка отходов производства кристаллического кремния как компонента строительных материалов.//-Братск. -1991.-с.31.

52. Использование отходов добычи углеобогащения. / Строительные материалы. -1995,-№1 .-с.

53. Лундина М.Г. Добавки в шихту при производстве керамических стеновых материалов. -М., 1974-95 с

54. Кодзоева М.М. Использование отходов угледобычи при производстве кирпича. / Реферативная информация, серия Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей. М.: ВНИИЭСМ. -1974,- вып.6.-с.

55. Шильцина А.Д. "Спекание и фазообразование в керамических массах из местного сырья Хакасии". Материалы всероссийской научно-технической конференции. Актуальные проблемы строительного материаловедения. Томск. 1998 г., стр.53.55.

56. Труды БашНИИСтрой вып 1У Москва 1965 г. стр.451-464.

57. Отчеты авторов по теме: "Разработка технологии бесцементного бетона на базе горелых пород"., 1960,1961,1963 гг.

58. Карлова Л.Г. Сборник трудов БашНИИСтроя. Вып П. Госстройиздат, 1961 г. -58 С

59. Нестеровская И.С."Исследование химического и минералогического состава горелых пород Маячного месторождения.

60. Исследование местных строительных материалов". Труды БашНИИСтрой, Вып II, Гостоптехиздат, 1962 г. с. 46- 23

61. Сиверцев Г.И. Временная инструкция по производству пробужденных растворов и бетонов из горелых пород Донбасса. Госстройиздат. 1939 г. 26с.

62. Сиверцев Т.Н. Памятка по применению бетонов и растворов из пробужденных шлаков, горелых пород и цемянок. Трансжелдориздат,. 942 г.

63. Сиверцев Г.Н. Как изготовить пробужденные бетоны. Госстрой издат, 1946. ~ с

64. Сиверцев Г.Н. Пробужденный бетон. Стройиздат, 1950 г. /6с.

65. Гублер Л.С. Использование горелых пород в строительстве. / Керамика. Госстройиздат. - 1939,- N 3. -с. 17

66. Гублер Л.С. Использование шлаков и горелых пород для бетонов. Сборник "Новые строительные материалы", ВНИИЖС, Госстройиздат. М,-7 , 1934 г.

67. Галкина Г.В., Милоградская А.И. Пробужденный бетон на основе горелых пород и извести. / Труды института химии .АН УзССР.-Ташкент.-1953.-с.63-76.

68. Бунин Б.И. Горелые породы Кильямского месторождения как сырье для производства строительных материалов. Исследование строительных материалов Якугской АССР. Сборник статей, 1961 г.

69. Карлова Л.Г. Высокопрочный бетон на основе горелых пород и извести. Труды БашНИИСтрой, Вып II, Гостоптехиздат, 1962 г.

70. Збарский М.И. Минералого-петрографические особенности и некоторые химико-технологические свойства горелых пород Средней Азии. Автореферат на соиск. уч. степени кандидата геолого-минералогических наук, Ташкент, 1963 г.

71. Баррер Р., ХИНДС Л., Уайт Е. Физическая химия силикатов. -М.: Стройиздат, 1965. 235 с.

72. Гершанович Г.Л. Минэнерго. Государственное производственное объединение Братскгэсстрой. Проектно-технологический институт. Отчет о НИР "Добавки микрокремнеземистых отходов ЭТЦКК БрАЗА в строительные растворы и другие цементные композиции".

73. Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества //Лабораторный практикум. -М.:Стройиздат 1974.-220 с.

74. Технические условия ТУ 7 - 249533 - 01 - 90. Микрокремнезем конденсированный.