автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Стеновые материалы на основе сырьевых композиций суглинок-барханный песок-бентонит

РГБ ОД

- * анн гш

УДК 691.666.798 На правах рукописи

Оразбек Ташен Оразбекулы

СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЕГА ОСНОВЕ СЫРЬЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ СУГЛИНОК-БАРХАННЫЙ ПЕСОК-БЕНТОНИТ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Республика Казахстан Кызылорда 2000

Работа выполнена в лаборатории строительных материалов Кызылординского государственного университета им. Коркыт Ата МОиН РК.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бисенов К.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Нурбатуров К.А.

кандидат технических наук, доцент Жарасов A.M.

Ведущая организация: Южно-Казахстанский

государственный университет им.М.Ауезова

Зо

Защита состоится о1оС декабря 2000 г. в /б часов на заседании диссертационного Совета К 14.14.02 в Кызылординском государственном университете им.Коркыт Ата по адресу: 467021, г.Кызылорда, проспект Абая, 66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кызылординского государственного университета им.Коркыт Ата.

Автореферат разослан " о? 1" _2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, j

к.т.н., доцент Нарманова Р.А.

A JI о о г\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современные тенденции развития строительной индустрии по критерию рационального природопользования требуют научного подхода по дальнейшему обеспечению керамического производства доступными сырьевыми ресурсами, снижению трудозатрат и энергоресурсов.

Сырьевой базой для производства стеновой керамики в Республике Казахстан служат месторождения суглинков, которые имеются почти во всех областях. Именно на эти сырьевые ресурсы ориентированы существующие кирпичные заводы.

Из-за низкого качества и нестабильности химического состава суглинков при обжиге изделий неполностью протекают процессы минерало- и сгруктурообразования даже при высоких температурах обжига (t = 1000...1050 °С). Такие изделия отличаются низкой прочностью, морозостойкостью и плохим внешним видом. Вместе с тем, керамическая промышленность считается самым крупным потребителем глинистого сырья, что приводит к быстрому истощению запасов.

В условиях всевозрастающей ограниченности невоспроизводимых топливно-энергетических ресурсов и удорожанию разведки и добычи минеральных ресурсов, особенно важно последовательное усиление режима экономии материальных ресурсов при обеспечении высокого качества продукции и реализации прогрессивных технологий.

Поэтому актуальными являются исследования по:

а) расширению сырьевой базы производства стеновой керамики за счет совокупного использования низкосортных полиминеральных глин, бархан-пых песков;

б) установлению влияния соотношения компонентов сырьевой системы "суглинок-барханный песок-беитонит" на формовочные, сушильные свойства керамических изделий;

в) определению .составов шихт для получения изделий с улучшенными эксплуатационными свойствами по ресурсосберегающим технологиям;

г) установлению влияния температуры обжига на физико-механические свойства керамических материалов из разработанных шихт.

Работа выполнялась в соответствии с основными мероприятиями реализации стратегической программы развития "Казахстан-2030".

Цель и задачи исследования.

Целью работы является комплексное исследование суглинков, барханных песков и бентонитовой глины для получения по ресурсосберегающей технологии стеновых материалов с улучшенными физико-механическими и технологическими свойствами.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

- произвести анализ характеристик сырьевых материалов;

- установить особенности реологических и технологических параметров сырьевых смесей на стадии подготовки, формования и сушки;

- установить особенности структуро- и фазообразований в керамическом черепке в процессе обжига;

- разработать технологические предпосылки для производства стеновой керамики с использованием барханных песков, низкосортных суглинков и бентонитовой глины, позволяющих получить изделия с улучшенными формовочными, сушильными, обжиговыми и физико-механическими свойствами готового продукта;

- разработать рекомендации для промышленного использования результатов исследований.

Научная новизна:

- впервые комплексно исследованы суглинок, барханный песок и бентонитовые глины Кызылординской области с целью получения высококачественного стенового материала. Добыча изучаемых сырьевых материалов предусматривает мероприятия по сохранению местного ландшафта;

- изучены химические, минералогические составы и физико-механические свойства исследуемых материалов. Показано, что при комплексном использовании исходных материалов получен керамический кирпич (марка 100...150);

- установлены зависимости "состав-свойство" для сырьевых композиций суглинок-бентонит и суглинок-барханный песок-бентонит, при которых максимальная прочность обожженных изделий соответствует содержанию суглинка 50-60 %, барханного песка 15-20 %, бентонитовой глины 15-20 %. Новизна разработанных составов керамических композиций подтверждена патентом РК № 9724;

- установлены оптимальные структурно-реологические свойства формовочных масс из керамических композиций суглинок-бентонит, суглинок-барханный песок-бентонит за счет управления структурообразования в дисперсных системах "суглинок-бентонит-вода", "суглинок-барханный песок-бентонит-вода", путем рационального подбора компонентов шихты определены структурно-механические типы, обеспечивающие бездефектное пластическое формование;

- установлены основные закономерности и отличительные особенности структуро- и фазообразования при спекании керамических композиций, заключающихся в получении спекшегося черепка со структурой, армированной минералами анортита и диопсида. Определены технолого-темнературные условия образования армирующих минералов, заключающиеся во взаимодействии глинистых минералов с эвтектическими расплавами, образующимися за счет плавления тонкодисперсных минералов кальцита, содержащихся г составе барханного песка и суглинка;

- разработана ресурсосберегающая технология стеновой керамики с использованием нового способа (патент РК № 9822) подготовки бентонитовог глины для введения в состав керамических композиций, позволяющая ис-

пользовать до 20 % дешевого и доступного барханного песка, от 60-90 % низкосортных суглинков и получить изделия с улучшенными физико-механическими свойствами.

Практическая ценность работы.

Применение разработанных составов керамических масс и рекомендованных приемов их переработки позволяют обеспечить производство доступными и недорогими сырьевыми материалами за счет использования в качестве сырья местных полиминеральных глин, барханных песков и бентонитовых глин. Кроме того, улучшаются физико-механические свойства стеновой керамики за счет анортито-диопсидовой структуры и интенсифицируется технологический процесс их производства за счет сокращения продолжительности сушки и обжига изделий.

Результаты работ внедрены на Кызылординском кирпичном заводе (ст. Тартогай) при ДТП "Ецбек-Кызылорда" и на ОАО "Желдорстрой" СМП-4 г.Кызылорда.

На защиту выносятся:

- совокупность научных положений, обеспечивающих возможность получения стеновой керамики в композиции суглинок-барханный песок-высокопластичная бентонитовая глина;

- оптимальный состав керамической композиции, температурный режим обработки, обеспечивающие получение стеновой керамики с высокой прочностью, морозостойкостью;

- реологические свойства разработанных составов и сырьевых материалов;

- физико-механические, структурно-реологические свойства разработанных составов керамической композиции;

- результаты опытно-промышленного апробирования производства стеновой керамики на основе дешевого и доступного местного сырья.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Кызылордииского политехнического института им. И. Жа-хаева (1997-1998 г.г.), на областной научно-практической конференции "Стратегия развития Казахстана до 2030 г." Кызылорда, 1997 г., Кызылордииского государственного университета им. Коркыт Ата (1998-2000 гг.), Международной научно-практической конференции "Современное строительство" (г. Пенза, 1'Ф, 1У98 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем и структура работы.

Объем работы составляет 122 страницы печатного текста, диссертация включает введение, 5 глав, выводы, список литературы (273 наименований), приложения, а также 22 таблицы и 32 рисунка. В приложении приведены акты, подтверждающие промышленное испытание полученных данных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние вопроса

Первая глава посвящена литературному анализу теоретических основ 1 факторов, определяющих процессы подготовки, формования и тепловой обработки керамических масс, а также анализу составов и свойств лессовидны? суглинков, бентонитовых глин, некондиционных сырьевых материалов, ис пользуемых в керамической промышленности.

В трудах А.П.Ребиндера, Н.Н.Серб-Сербиной, Л.М.Никитина, В.Н.Бо гусловского, З.А.Носова, С.П.Ничипоренко, Г.Я.Комского, К.А.Нохратяна М.И.Рогового, Д.В.Жукова, С.Т.Сулейменова, Л.М.Ботвиной, С.Ж.Сайбу латова, В.К.Бишимбаева, К.А.Нурбатурова, а также других зарубежных уче ных показано, что процесс структурообразования масс на стадии формованю пластическим способом в системе глина-вода зависит от содержания затво ряемой воды и механических способов их обработки. При этом процесс фор мовки осуществим только в случае, когда основным компонентом керамичс ских масс является высококачественная глина, запасы которых в южном ре гионе Казахстана весьма ограничены.

Характер изменений, претерпеваемых глинами при нагревании, опреде ляется наличием в материале тех или иных глинистых минералов и примесей Превращение нагреваемых глин может быть разделено на четыре этапа: низ котемпературную и высокотемпературную дегидратацию, перестройку ре шетки и высокотемпературные изменения.

Вид продуктов, образующихся выше температуры экзотермической эффекта (муллит, у-глинозем, шпинель, кристобалит, стекло), определяете дисперсностью и структурными характеристиками исходного глинистог минерала и продуктов его обезвоживания, а также наличием примесей.

Процессы, связанные с фазовыми превращениями в керамических мае сах, весьма сложны и многообразны.

Исследованию процессов термического разложения глинистых минера лов и природы реакции муллитообразования посвящены работ г П.Н.Земятченского, В.И.Вернадского, П.П.Будникова, А.И.Ав1устиникг И.А.Булавина, Г.В.Куколева, А.С.Бережного, О.П.Мчедлов-Петросянг Х.О.Геворкяна, А.С.Гинзбурга и других ученых.

Для развития теории строительного материаловедения неоценимы рабе ты И.Н.Ахвердова, В.А.Вознесенского, С.А.Волоснева, Г.Д.Дибровг В.В.Кафарова, Б.А.Крылова, И.А.Рыбьева, А.И.Счастного, А.Ф.Шурова, вы полненные с позиции системного анализа, что оказало положительное влщ ние на развитие теории оптимальных тепловых технологических процессов.

Физико-химические данные и опыт этих исследований свидетельствуе о том, что традиционными факторами интенсификации химических технолс гий являются температура, давление, концентрация реагентов, химически добавки, атомно-молекулярная кристаллизация и др.

По данным Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Казахстан в Кызылординской области имеются значительные запасы лессовидных суглинков, почти неисчерпаемы запасы барханного песка, а также высокопластичных бентонитовых глин.

Применение этих дешевых сырьевых ресурсов в производстве строительной керамики является частью решения комплексного использования минерального сырья. Для решения поставленной задачи требуется создание новых энерго- и ресурсосберегающих технологий, позволяющих максимально использовать некондиционные сырьевые ресурсы и выпускать конкурент-носпособные изделия.

Однако запесоченность и высокое содержание карбонатов лессовидных суглинков в ряде случаев не позволяет использовать их даже для производства обыкновенного глиняного кирпича, отличающегося не только низкими физико-механическими свойствами, но и выцветами растворимых солей, ограничивающими его применение в качестве лицевого. Несмотря на указанные свойства лессовидных грунтов Средней Азии и Казахстана, последние являются основным сырьем для керамических строительных материалов.

Итак, перечисленные исследования в области изменений свойств лессовидных суглинков для производства и расширения ассортимента керамических материалов преследуют цель повышения качества изделий в основном кирпича путем облагораживания суглинков. Анализ проведенных исследований ученых Украины, Белоруссии, Средней Азии, Дальнего Востока и Сибири позволяет сделать вывод о том, что даже при улучшении всех физико-механических и структурных свойств керамических масс из суглинков различными способами и методами получить керамические изделия из этих масс не представляется возможным.

Характеристика сырьевых материалов и методы исследований

В качестве сырьевых материалов использованы:

- Бентонитовая глина Щукуройского месторождения. По огнеупорным свойствам относится к легкоплавким. По содержанию Fe20 к глинам с высоким содержанием красящих оксидов, а по содержанию А120з - к группе кислого сырья (табл.1).

Минералогический состав глины представлен в основном монтмориллонитом d/n=5,Об; 4,46; 3,79; 3,06; 2,455; 2,28; 2,127; 1,977; 1,817; 1,675-1О"10м.

- Суглинок Кызылординского месторождения содержит до 12% монтмо-риллонитового компонента, находящегося в форме смешаннослойных образований с гидрослюдой и каолинитом.

Из кристаллических фаз в глине также содержится кварц d/n=4,23; 3,34; 1,974; 1,813; 1,538-Ю"10м, полевой шпат d/n=3,18; 2,286-Ю"10 м, кальцит d/n=3,02; 2,018; 1,912-1О~10м и гематит d/n-3,839; 1,686; 1,590-Ю",0м.

Таблица 1

Химические составы сырьевых материалов

Наименование Содержание оксидов, мас.%

сырья ЭЮ, А1:03 ЦГЮ; [_СаО МбО Ре20, РА Р 50, СО, Ка,0 К,0 п п.п

Бентонито-

вая глина 61,51 17,06 2,27 3.21 5,36 - - 1,27 - 3,57 1.12 4,63

суглинок 48,63 ИД 0.55 12,64 2,54 4,68 - 0,53 - 2,73 2.42 14,08

барханный

песок 73,6 5,56 - 9,05 1,0 1,99 - - - - - 1,9 6,9

По содержанию А1203 суглинок относится к группе кислого сырья, а по огнеупорности - к легкоплавким. По содержанию Ре203 - к сырью с высоким содержанием красящих оксидов.

- Барханный песок Кызылординского месторождения имеет следующие физические характеристики: насыпная плотность - 1350 кг/м3; пустотность -48,9 %; истинная плотность - 2,64 г/см3; модуль крупности - 0,49; удельная поверхность - 365 см2/г; потеря массы при отмучивании — 1,3 %; калориметрическая проба - светлее эталона.

По гранулометрическому составу песок характеризуется как мелкодисперсное, а по пластичности: суглинок - умеренно-пластичный (11,5);

глина - высокопластичная (37,5).

При исследовании процессов структурообразования керамических композиций и физико-механических свойств образцов использовались современные приборы и оборудования.

Оптимизация составов керамических масс для получения стеновой керамики

Теория керамического производства располагает множеством принципов получения качественных изделий. Большинство ученых считают, что одним из перспективных направлений в технологии керамики в условиях ограниченности запасов качественных сырьевых материалов являются исследования по созданию композиционных керамических масс, что открывает широкие возможности по корректировке химико-минералогического состава сырья, комплексно использовать минеральное сырье, тем самым получать изделия с заранее заданными физико-механическими свойствами.

Поэтому исследования проводились в следующих керамических системах: а - суглинок-бентонит; б - барханный песок-суглинок-бентонит. Область исследуемых составов подбиралась с учетом корректировки химических составов керамических композиций и основных характеристик диаграммы состояния системы АЬОз-БЮг-

Подбор оптимального состава между компонентами сырьевой смеси осуществлялся с применением математического метода планирования экспериментов для двух- и трехкомпонентной системы. При этом в качестве переменных факторов были приняты содержания суглинка (X)), бентонитовой глины (Х2) и барханного песка (Х3).

За параметры оптимизации керамических масс принимались: сырцовая прочность - характеризующая формовочные свойства масс, коэффициент чувствительности к сушке - как критерий сушильных свойств смеси, прочность при сжатии и водопоглощения обожженных изделий - как показатель качества изделий.

За оптимальные составы керамических композиций принимали смеси, обладающие удовлетворительной сырцовой прочностью и прочности при сжатии термообработанных образцов. При этом значения коэффициента чувствительности к сушке соответствовали условиям интенсивной и бездефектной сушки.

Ниже приведен комплекс физико-механических свойств образцов обожженных в интервале температур (950-1000 °С), представляющей наибольший интерес при разработке технологических параметров производства изделий.

Таблица 2

Физико-механические свойства образцов из керамических масс оптимального состава

№ и/п Состав ШИХТЫ, % по массе Темп, обжига °С Огневая усадка, % Средняя плотность г/см3 Предел прочности, МПа водопог лощение % Теплопроводность ВТ/м°С

при сжатии при изгибе

1. Суглинок-95 бентонит-5 950 4,1 1845 1Ц> 2,91 15,3 0,724

¡000 4,8 1859 19^5 3,15 14.8 0,875

2. Суглинок-60 барханный песок-20 бентонит-20 950 1,4 1826 15,5 3,14 14,8 0,816

1000 1,85 1832 20,2 3,57 14,1 0,847

Исследование процессов структурообразования разработанных составов керамических масс

Прочная структура керамики, обеспечивающая высокие эксплуатационные свойства, формируется на стадии обжига. В этом случае процессы фазообразования во многом определяются составом шихты, температурой обжига и другими технологическими факторами.

Исследования проводились на основе разработанных оптимальных составов керамических композиций в системах: суглинок-бентонит; суглинок-барханный песок-бентонит.

Для этого из керамических композиций формовались образцы-цилиндры (d=16 мм, h=25 мм) и подвергались термообработке. Максимальная температура обжига и интервалы между соответствующими температурами подбирались с учетом кривых дифференциально-термического анализа и состава шихты.

При каждой конечной температуре образцы выдерживались в течение одного часа. После термообработки образцы подвергались петрографическому анализу при помощи микроскопа, а также рентгенофазовому анализу.

Сырьевая композиция суглинок-бентонит включает компоненты в следующих соотношениях, %: суглинок — 95,0; бентонит - 5,0.

Дифференциально-термический анализ сырьевой смеси показывает, что при температуре 120 °С наблюдается первый эндометрический эффект, связанный с удалением адсорбционной воды. Второй эндометрический эффект при температуре 560 °С указывает на модификационные превращения кварца, третий при температуре 770 °С связан с разложением монтмориллонита, каолинита, слюды, полевого шпата. При температуре 890 °С наблюдается экзотермический эффект, связанный с кристаллизацией анортита, диопсида, гематита. Образцы рассматриваемой композиции обжигались при температуре 500-1100 °С.

При температуре обжига 500 °С рентгеяофазовый анализ композиций показывает наличие следующих минералов: кальцита (2,49; 2,28; 2,09; 1,913; 1,604), слюды (9,95; 4,46; 4,98; 1,99), полевого шпата (3,18), кварца (4,25; 3,34; 2,45; 2,28; 2,13; 1,98; 1,541) и монтмориллонита (4,42; 2,35; 2,40; 1,69).

В проходящем свете слюда (K(Al,Fe)[0H]2Al2Si03-n]:l20) присутствует в виде чешуйчатых пластинок бурого цвета со средним показателем преломнения N=1,600. Полевые шпаты по данным петрографического и рентгенофазового анализов представлены ортоклазом (KAlSi02) с показателем преломления N=1,515.

На рентгенограммах проб, обожженных до температуры 800 °С, изменение рефлексов минералов не наблюдается. Однако под микроскопом в пробах образцов кварц и зерна кальцита подвержены трещиковатости. Встречаются измененные зерна полевого шпата. Наблюдается также аморфизация глинистых частиц. Кальцит при этой температуре подвержен частичной диссоциации.

В интервале температур обжига 950-1000 °С рентгено-фазовый анализ образца представлен: кварцем (4,26; 3,34; 2,45; 2,282; 2,23; 2,12; 1,977; 1,817; 1,673), анортитом (4,04; 3,76; 3,19), диопсидом (3,24; 2,98 9; 2,945; 2,896; 2,554; 2,516; 2,30; 2,105; 2,022; 1,977; 1,772; 1,673; 1,625), гематитом (2,696; 1,837).

Под микроскопом четко зафиксированы появление бесцветного оптически изотропного стекла с показателем преломления 1,500-1,510, что свидетельствует о появлении эвтектических расплавов. Содержание стеклофазы заметно увеличилось при температуре обжига 1000 °С. В проходящем свете минералы как кварц, анортит, диопсид сцементированы прозрачным стеклом. Кальцит в этом интервале температур подвержен полной диссоциации. По видимому, тонкодисперсные частички кальцита расплавились и способствовали увеличению количества аморфных фаз.

С повышением температуры обжига до 1100 °С под микроскопом наблюдается увеличение содержания стеклофазы за счет расплавления полевого шпата и гематита и др. глинистых минералов с показателем преломления N~l,515-1,520. На рентгенограмме основные дифракционные максимумы анортита и диопсида сохраняются. Под микроскопом на отдельных зернах кварца видна реакционная каемка из тонкодисперсных частичек тридимита (4,31; 3,20). Наблюдается также значительное уплотнение структуры пробы.

Сырьевая композиция суглинок-барханный песок-бентонит включает компоненты в следующих соотношениях, %: суглинок -60, барханный песок - 20, бентонит -20.

Дифференциально-термический анализ композиции показывает, что при температуре 120 °С наблюдается первый эндотермический эффект, связанный с удалением адсорбционной воды. Второй эндотермический эффект при температуре 520 °С указывает на модификационные превращения кварца, третий - при температуре 740 °С - связан с разложением каолинита, слюды, полевого шпата. При температуре 880 °С наблюдается экзотермический эффект, связанный с кристаллизацией анортита, диопсида, гематита.

В интервале температур обжига 950-1000 °С структура пробы мелкозернистая, плотная.

Рентгено-фазовый анализ образца представлен: кварцем (4,23; 3,34; 2,45; 2,27; 2,139; 1,977; 1,817; 1,671; 3,541), анортитом (4,03; 3,47; 3,21; 2,947; 2,90; 2,811), диопсидом (2,24; 2,13; 1,977), гематитом (2,694).

Под микроскопом наблюдается значительное увеличение содержания стеклофазы за счет изменения и остеклования полевого шпата и глинистых минералов. Кальцит полностью подвержен диссоциации и расплыву. Монтмориллонит полностью перешел в изотропную массу. Модификация кремния тридимит присутствует в виде чистых бесцветных кристаллов, которые, по-видимому, в этом температурном интервале кристаллизуются непосредственно из эвтектического расплава. Зерна кварца, анортита, диопсида сцементированы стекдофазой в виде жесткого каркаса. Повышение температуры обжига до 1100 °С способствует дальнейшему увеличению стеклофазы. На рентгенограмме основные дифракционные максимумы анортита, кварца, диопсида сохраняются. Степень кристаллизации анортита значительно больше, чем в предыдущей композиции.

Влияние температуры обжига на изменение физико-механических свойств образцов иа основе разработанных составов керамических масс

Происходящие сложные процессы структурообразования в керамических массах при обжиге сопровождаются усадкой или расширением и изменениями свойств изделий в широких пределах в зависимости от температуры термообработки.

Выявление этих зависимостей продиктовано необходимостью выбора температурных условий для получения изделий с высокими эксплуатационными свойствами.

Для исследования выбрали наиболее важные эксплуатационные характеристики керамики, как прочность при сжатии, плотность, водопог-лощение и огневая усадка обожженных образцов.

В интервале температур обжига 600-1000 °С наблюдается равномерное повышение прочности при сжатии и плотности образцов.

Показатели прочности для керамической композиции суглинок-бентонит при температуре обжига 600 °С составляет 4,6-4,8 МПа, а для системы суглинок-барханный песок-бентонит - 5,1-5,2 МПа. При этом значения огневой усадки составляет порядка 1,0-1,5 %.

С повышением температуры обжига с 800 °С до 1000 °С наблюдается значительное повышение показателей прочности при сжатии и плотности образцов, сопровождающихся увеличением значений огневой усадки и снижением показателей водопоглощения.

Комплексные изменения исследуемых свойств характеризуют о повышении степени спекания керамических масс. По данным рентгенофазовых и петрмрафических анализов в указанных интервалах температур процесс спекания происходит с участием жидкой фазы, содержание которой увеличивается за счет изменения и дегидратации глинистых минералов, параллельно происходит процесс растворения твердой фазы в жидкую, в первую очередь в местах контакта, в результате чего происходит дальнейшее сближение кристаллов с образованием прочных контактов. Кроме того, в этом интервале температур наблюдается появление новообразования -анортита, известного как упрочняющего минерала, чем и объясняется повышение прочностных показателей образцов.

Дальнейший подъем температуры до 1100 °С спосооствует повышению прочности, плотности и огневой усадки, а также снижению водопоглощения образцов. Прочностные показатели у керамической композиции суглинок-бентонит достигают до 20,0-22,0 МПа, а у композиции суглинок-барханный песок-бентонит - до 28,4-30,0 МПа.

Данные рентгенофазового анализа показывают, что в лессовых породах глинозема А1203 практически содержится не более 10-12 % и поэтому введение добавки пластичной монтмориллонитовой глины (высокопластичная), в которой содержится глинозема до 17,6 %, в количестве 20 %, увеличит в лессовой породе А120з на 3-4 %. Таким образом, в лессовых

породах повысится содержание глинозема до 15-19 %, который будет способствовать при обжиге образованию алюмосиликатов кальция-геленита. Кроме повышения глинистой части лессовых пород в глине содержится до 6 % оксида железа РезОз, который образует при обжиге образцов при температуре 1050-1100 °С одно- и двухкальцевые ферриты, а также моноалюминат кальция.

Введение барханного песка способствует образованию геленита за счет введения кремнезема, ранкенита, окерманита, анортита и способствует образованию жесткого пространственного каркаса.

В результате образцы на основе исследуемых композиций обладают высокими эксплуатационными свойствами.

Исследования структурно-механических и упруго-вязко-пластических свойств исходных сырьевых материалов н их композиции: суглинок, бентонит, суглинок-бентонит, суглинок-барханный песок-бентонит

В технологии керамического кирпича особое место занимает процесс формования. От качества отформованного сырца зависит качество готовой продукции. Отношение сырьевой композиции к формованию может быть оценено при помощи зависимости кривых пластической прочности от абсолютной влажности РШ=ДЛ¥).

Методом физико-химической механики дисперсных структур исследованы зависимости пластической прочности от влажности Кызылординского суглинка и разработанных оптимальных составов керамических композиций.

Исследования показали (рис.1), что кривые зависимости пластической прочности от влажности сырьевых смесей могут быть представлены двумя прямолинейными кривыми, которые имеют различные наклоны к оси V/ и соединяются между собой плавной кривой. Первый участок начинается при содержании воды 20-22,5 %, когда пластическая прочность массы становится выше (60-185)-103 Па. На этом участке дисперсные системы содержат связанную адсорбированную воду. Вода диффузных двойных слоев ионов находится в количестве, недостаточном для полного развития гидратных оболочек. При переходе ко второму участку, расположенному ниже Р=(60-185)-103 Па, с содержанием воды около 30 %, в массе происходит полное развитие гидратных оболочек. Масса приобретает так называемое рабочее состояние. При дальнейшем увеличении влаги структура масс приобретает свойства суспензии и диспергирования, теряет связанность и перестает формоваться. Отсюда следует, что оптимальный формовочной является влажность рабочего состояния керамических масс.

Кызылординский суглинок относится к плохо формующимся слабосвязанным массам и содержит значительное количество полуторных окислов, и имеет наименьшую удельную поверхность и малый угол наклона кривой Рт- /(№). Для улучшения формовочных свойств суглинков может быть рекомендована добавка глины пластификатора, увеличивающая в массе процентное содержание А!203 и сс суммарную удельную поверхность.

Зависимость пластической прочности керамической массы от влажности

Ось абсцисс - влажность,%; ось ординат пластическая прочность - IV 10"3, Па. Обозначение кривых 1 - соотношение Кызылординский суглинок: - Шукуройский бентониг 100:0; 2 - 95:5; 3 - 93:7; 4 - 0:100; 5 - соотношение суглинок: барханный песок: бентонит: - 60:20:20

Рисунок 1

Диаграмма ¿о определение структурно-механического типа

Обозначение: 1 - Кызылординский суглинок; 2 - Кызылординский суглинок с добавкой 5 % бентонита; 3 - Кызылординский суглинок с добавкой 7 % бентонита; 4 - Шукуройский бентонит; 5 - Керамическая масса в системе: суглинок -60 %, барханный песок-20 %, бентоиит-20 %

Рисунок 2

Как видно из рис.1, оптимальная формовочная влажность глинистых масс в зависимости от количества пластифицирующей добавки находится в пределах 25,0-27,5 %, пластическая прочность масс составляет 65-Ю3—100-Ю3 Па.

При этом экспериментальные исследования показывают, что критическая концентрация струхтурообразования (ККС) суглинка равна 22,5 %, добавка 5 % бентонита увеличивает ККС до 25 %, а добавка 7 % до 27,5, % (рис.1). Проведенные ранее исследования (глава 3) показали, что масса с добавкой 2 % бентонита отличается плохой формуемостыо и склонностью к хрупкому разрушению структуры в процессе обработки и формовки. Керамические массы с добавкой 5 % при оптимальной влажности 25 % хорошо формуются без образования свилии.

Дальнейшее увеличение бентонита нецелесообразно с точки зрения экономии дефицитных пластических глин.

Для проведения экспериментальных исследований по определению упруго-вязко-пластических свойств разработанных керамических композиций подготовлены по три состава: кызылординский суглинок, с добавками масс 5 %, 7 % бентонитовой глины, бентонит, суглинок 60 %, барханный песок 20 %, бентонитовая глина 20 %.

В соответствии со значениями относительной деформации определяем характер развития деформации на тройной диаграмме и структурно-механический тип системы.

Кызылординский суглинок относится к третьему структурно-механическому типу (рис. 2), при котором преобладает развитие быстрых эластических деформаций, указывающих на плохую формуемость керамических масс. Керамическим массам развития эластических деформаций свойственно хрупкое разрушение структуры. С введением 5 % бентонитовой глины эластические деформации становятся одинаковыми при некотором снижении эластических деформаций. Это происходит из-за некоторого уменьшения модуля упругости, наибольшей пластической вязкости и условного статического предела текучести, что позволяет сырьевой смеси в процессе формования без нарушения сплошности и разрыва контактов частиц в системе компенсировать возникающие кратковременные деформации.

Характеризуя системы по условной мощности деформации можно отметить, что с введением 5 % бентонита условная мощность деформации значительно снижается и составляет 21,2-10"3 эрг/сек, против суглинка без добавки 68,0-10"3 эрг/сек. Содержание в глине 7 % бентонита условная мощность деформации несколько повышается и составляет 28,0-10"5 эрг/сек.

Полученные экспериментальные данные показывают, что применение бентонитовой глины в количестве 5 % обеспечивает оптимальное развитие упруго-пластично-вязких свойств суглинка, при этом значение эластичности составляет 0.5, пластичность по Воларовичу 3,0-10"6 с"1, период истинной релаксации равен 1049 сек.

На 31 % уменьшается условная мощность деформации, что обеспечивает стабильную и более интенсивную работу формующего оборудования.

Следующим этапом исследования в настоящей работе является изучение реологических свойств трехкомпонентных систем: суглинок-барханный песок-бентонит. Исследования показали (рис. 1), что интенсивный рост угла наклона кривых Pm = f(W) происходит в шихтах, содержащих менее 30 % бентонита. Дальнейшее увеличение его содержания не оказывает существенного влияния на изменение ctg ß.

При составлении трехкомпонентных шихт, в которых одним из компонентов является пластификатор, можно варьировать двумя другими компонентами в любых соотношениях при незначительных изменениях угла наклона кривых Pm = f(W).

Полученные данные полностью подтверждают возможность неограниченного варьирования шихты суглинок-барханный песок при введении третьего пластифицирующего компонента - бентонита.

Шихта, состоящая из 60 % суглинка, 20 % барханного песка и 20 % Шукуройского бентонита относится к первому структурно-механическому типу. Характеристики упруго-пластично-вязких свойств и графики развития деформации (рис.2) указывают на то, что в этой шихте по сравнению с исходным суглинком значительно уменьшились модули упругости Ei~12,3-10"7 Па; Е2=5,5-10"7 Па, условный статически предел Pti = 12• 10~3Г/й , увеличились модули эластичности А,=0,719 и пластическая вязкость г|1=39,1-10~8 н-с/м2. Вследствие этого в соотношениях деформации уменьшилась доля быстрых и медленных эластических деформаций и увеличилась также величина пластических деформаций, значительно по сравнению с исходным суглинком, уменьшилась также величина условной мощности деформации Ns - 26,4-10° эрг/сек.

Увеличение содержание бентонита более 20 % сопровождается повышением всех констант упруго-пластично-вязких свойств. При этом ухудшается соотношение быстрых и медленных эластических, а также обратимых и необратимых деформаций, и шихта вновь переходит в пятый структурно-механический тип. Анализируя выше сказанное, можно определить, что для исследуемой трехкомпонентной шихты область существования первого структурно-механического типа определяется максимальным содержанием бентонита до 20 %. Оптимальной можно считать шихту, содержащую 60 % суглинка, 20 % барханного песка и 20 % Шукуройского бентонита, при формовочной влажности 28,5 %.

Керамическая масса проходит формующую часть постоянного пресса -головку и мунтштук за 5-7 сек. В течение этого времени значительное развитие медленных эластических деформаций способно компенсировать возникающие во времени формования кратковременные напряжения без разрушений сплошности бруса.

Реализация результатов диссертационных исследований в производственных условиях

По мере углубления исследований и совершенствования технологических процессов производства стеновой керамики, производственное внедрение преобретало комплексный характер их реализации.

Для проведения промышленных испытаний использовался помольный цех ТОО "Силикат" и производственные базы Тартугайского кирпичного завода (ст.Тартугай) Кызылординской области при ДТП "Енбек-Кызылорда" и ОАО "Желдорстрой" СМП-4 г.Кызылорда.

Шихтовой состав испытуемых сырьевых смесей представлен в табл.3.

Таблица 3

Шихтовой состав сырьевых систем

№ составов Содержание компонентов, мае. %

суглинок барханный песок бентонит

1 95 - 5

2 60 20 20

Подготовительный этап сырья по первому варианту в системе суглинок-барханный песок-бентонит включает следующие операции. Сначала сырьевые материалы сушились в естественных условиях и дозировались в соответствии с рекомендациями данной работы.

Суглинок и барханный песок из приемных бункеров склада сырья дозировались в соотношении суглинок : барханный песок 1:0,3 и загружались в шаровую мельницу для совместного помола. Тонкость помола контролировалась просеиванием через сито 0,14.

Готовые порошки подавались в специальные бункера запаса, откуда расфасовывались в полиэтиленовые мешки емкостью 50 кг.

Для дальнейших испытаний мешки с готовыми порошками транспортировались в формовочный цех кирпичного завода.

Добавка бентонитовой глины в керамическую массу в виде тонкодисперсного порошка создает определенную трудность при помоле, т.к. высокопластичный материал налипает на стенку шаровой мельницы, что приводит к снижению производительности помольного оборудования. Требуется дополнительная затрата для сушки бентонитовой глины до 105-110°С. Поэтому добавка бентонитовой глины в готовую шихту потребовала нового подхода к решению проблемы.

В основу разработки положен роспуск пластической глипы с введением воды не ниже 65-70 % от массы сухого компонента.

Для этой цели из бентонитовой глины приготавливалась суспензия. В шаровую мельницу вводили бентонитовую глину с водой и мололи до получения суспензии плотностью 1,4-1,5 г/см3.

Полученную суспензию вводили в двухвальный смеситель СМК-125А с готовой шихтой, готовая керамическая масса поступала в пресс пластического формования СМК-21.

Подготовительный этап сырья по второму варианту в системе суглннок-барханный песок-бентонит включает следующие операции. Процесс подготовки суглинка производился по существующей заводской технологии: измельчение комьев, выделение камней и других посторонних включений.

Барханный песок и бентонитовая глина после сушки из приемных бункеров склада сырья дозировались в соотношении барханный песок: бентонит 1:1 и загружались в шаровую мельницу для совместного помола. Тонкость помола контролировалась просеиванием через сито 0,14.

Готовые порошки подавались в специальные бункера запаса, откуда расфасовывались в полиэтиленовые мешки емкостью 50 кг.

Для дальнейших испытаний мешки с готовыми порошками транспортировались в формовочный цех кирпичного завода.

Готовую шихту подавали в двухвальный смеситель СМК-125А вместе с суглинком, готовая керамическая масса поступала в пресс пластического формования СМК-21.

В композиции суглинок-бентонит процесс подготовки суглинка производился по существующей заводской технологии, который включает измельчение комьев, выделение камней и других посторонних включений. Увлажнение шихты и ее смешивание, измельчение массы и добавку бентонитовой глины производили по принципу как в системе суглинок-барханный песок-бентонит.

Отформованные сырцы укладывались на сушильные вагонетки и сушились в туннельных сушилках в течение 20 часов в системе суглинок-барханный песок-бентонитовая глина и 30 часов в системе суглинок-бентонит.

Высушенные сырцы с остаточной влажностью 8-9 % перекладывались на обжиговые вагонетки и обжигались в туннельной печи согласно заводскому режиму.

Разработанный способ изготовления строительного кирпича на основе исследуемых композиций защищен патентами на изобретение (№9822 и №9724).

Принципиальная технологическая схема производства керамического кирпича в сырьевой системе суглинок-барханный песок-бентонит (патент РК №9822)

Вариант №1

Рисунок 3

Полученные изделия по разработанному составу, сырьевой смеси и способу подвергались физико-механическим испытаниям.

Как показали сравнительные анализы, керамический кирпич с разработанным составом обладает высокими прочностными показателями. Марка кирпича, согласно ГОСТ 530-80 "Кирпич и камни керамические" соответствует 100 и 150. Кроме того, разработанный состав привел к уменьшению температуры обжига на 100-150°С, что обеспечило экономию топлива на 15-20 %.

Результаты испытаний в промышленных условиях (табл.4) подтверждают возможность получения высококачественных изделий на основе разработанных составов в производстве керамического кирпича методом пластического формования. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанных составов и технологий при производстве керамического кирпича 5 млн. шт. в, год составляет 3.350 тыс. тенге.

Таблица 4

Сравнительные показатели заводского кирпича и разработанного состава сырьевой смеси

№ п/п Показатели Ед.изм. Кирпич по заводской технологии Кирпич в композиции I

суглинок-бентонит суглинок-барханный песок-бентонит

вар.№1 вар.№2

1 2 3 4 5 6 7

1. Температура обжига "С 1000-1100 950-1000 950-1000 950-1000

2. Предел прочности при сжатии MITa 6-6,3 11,0-19,5 15,5-20,2 19,5-24,0

3. Предел прочности при изгибе МПа 1,1 2,91-3,15 3,14-3,57 3,6-4,2

4. Морозостойкость циклы 6-7 более 15 более 20 более 25

5. Средняя плотность Kr/MJ 1700-1800 1845-1857 1826-1832 1825-1830

6. Масса полнотелого кирпича кг 3,4 3,45 3,65 3,74

7. Продолжительность сушки час 40 30 20 20

8. Коэффициент водостойкости 0,4 0,81 0,92 0,94

9. Расход топлива на 1000 шт кирпича кг 214 181 172 172

)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны и оптимизированы составы керамических композиций с учетом доминирующих факторов двух и трехкомпонентных смесей, обладающие улучшенными формовочными, сушильными и физико-механическими свойствами термообработанных изделий. Новизна разработанных составов подтверждена патентом РК №9724.

2. Установлено, что введение барханного песка в керамическую композицию способствует образованию геленита за счет присутствия кремнезема, ранкенита, окерманита и кристаллизации анортита.

3. Изучены основные закономерности структуро- и фазообразования керамических композиций в интервалах температур 500-1100°С, заключающихся в протекании процессов твердо- и твердожидкофазного спекания с кристаллизацией минералов анортита, при котором обеспечивается фазово-минеральный состав композиций, определяющие получение стеновой керамики с высокой прочностью, морозостойкостью и улучшенными показателями водопоглощения.

4. Установлено, что бентонит снижает пластическую прочность системы и в то же время способствует развитию процессов структурообразования керамической массы. Кроме того происходит снижение величины условной мощности деформации Т<с и, следовательно, уменьшается расход мощности энергозатрат на формование.

5. Исследованы структурно-механические характеристики разработанных керамических композиций, подтверждающие возможность варьирования реологических свойств по критерию формования изделий пластическим способом.

6. Разработана технология стеновой керамики на основе двух и трехкомпонентных композиций, согласно которого бентонитовая глина вводится в керамическую массу в виде суспензии, что обеспечивает улучшение свойств изделий на стадии формования, сушки и обжига (патент РК №9822).

7. Результаты исследования подтверждены в производственных условиях предприятий стройиндустрии Кызылординской области. Экономический и экологический эффект получен благодаря вовлечению в производство низкосортных суглинков, барханных песков и с одновременной экономией высокопластичных бентонитовых глин и сокращению затрат на энергоносители.

к

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов в производстве строительных материалов (в соавторстве).//Тезисы докладов научно-практической конференции "Стратегия развития Казахстана до 2030 года". Кызылорда, 1997. -С. 108-110.

2. Процессы структурообразования в керамических композициях (в со-авторстве).//Наука и образование Южного Казахстана. - Шымкент, 1998. -№3(10). -С. 123-126.

3. Исследование процессов спекания керамических композиций в системе суглинок-волластонитсодержащий шлак (в соавторстве).// Наука и образование Южного Казахстана. -Шымкент, 1999. -№4(11). -С. 172176.

4. Разработка комплексных добавок в системе вояластопитсодержащнй шлак-пластичная глина и использование их в технологии строительной керамики (в соавторстве).//Тезисы докладов Международной научно-практической конференции "Современное строительство". -Пенза. 1998. -С. 193-194.

5. Влияние технологических факторов на эксплуатационные свойства керамических композиций (в соавторстве).//Вестник КГУ им.Коркыт Ата. -Кызылорда, 1999. -№1. -С. 86-88.

6. Исследование физико-механических свойств керамических композиций из кремнеземистых и высококальциевых сырьевых материалов (в соавторстве).// Поиск. Научный журнал Министерства образования и науки. -2000. -№3. -С. 7-9.

7. Патент РК 9822. Способ изготовления строительного кирпи-ча.//Висенов К.А., Монтаев С.А., Оразбек Т.О., Удербаев С.С. //Опубл. 2000.

8. Патент РК 9724. Сырьевая смесь для изготовления строительного кирпича //Бисенов К.А., Монтаев С.А., Оразбек Т.О., Удербаев С.С.

//Опубл. 200)

>

Content

Orazbek Tashim 05.23.05 - building materials and products

Wall materials on the basis of raw compositions out of barkhan sand loam - bentonite

This given work considers the resource saving technology of receiving wall ceramics with improved technological and operational properties. The loam, ben-tonitic clay and barkhan sand of Kyzylorda oblast are used as initial raw materials.

The scientific novelty of the work consists in the following:

- for the first time Kyzylorda oblast's loam, bentonitic clay and barkhan sand are completely investigated with the purpose of obtaining high-quality wall materials. The production of investigated raw materials provides measures for preserving local landscape.

- chemical, mineralogical structures and physical and mechanical properties of materials are researched. It is shown that under complex use of initial materials the ceramic brick is made (mark 100 ... 150).

- dependences "structure- property" for raw compositions loam-bentonite and loam-barkhan sand-bentonite are established, at which maximum durability of burnt products corresponds to the contents of loam 50-60 percent, barkhan sand 15-20 percent, bentonite clay 15-20 percent. The novelty of the developed structures of ceramic compositions is confirmed by the RK patent №9724.

- optimum structural and reologic properties of mass cast from ceramic compositions of loam-bentonite, loam-barkhan sand-bentonite are set up. It is realised at the expense of controlling structure formation in disperse systems "loam-bentonite-water", "loam-barkhan sand-bentonite-water" by rational selection of charge components. Structural and mechanical types ensuring defectless plastic formation are determined.

- Basic laws and distinctive features of structure and phase formation at sintering ceramic compositions are established, for reception of sintered cranium with structure, reinforced with minerals of anorthite and diopcide; technological and temperature conditions of reinforced minerals formation are defined which include interaction of clay minerals with ephthectic fusion's, formed for the account of fusion of thin disperse minerals of calc-spar contained in barkhan sand and loam structure.

- Resource saving technology of wall ceramics with the use of a new way (RK patent №9822) is developed for preparation of bentonitic clay adding into ceramic compositions, 60-90 percent of low quality loam and obtaining products with improved physical and mechanical properties.

The results of works are introduced into Kyzylorda brick factory (Tartogay railway station) at DGP "Enbek - Kyzylorda" and OSC "Zheldorstroy" SMP-4, Kyzylorda.

Тркырым

Оразбек Тэшен Оразбекулы

05.23.05 - Курылыс материалдары мен буйымдары

Саз тоиырак,-шеге кум-бентонит сазы шшизат композицияларьшьщ нспздсрище альишш кдбыргалык, буйымдар

Дисеертациялык, хумыс кэбырга буйымдарыньщ шшазат унемдеу технологиясымен жэне олардын, технологиядьщ, физика-механикальщ кдсистгерш жаксартуга арналган. Шиизат ретаще Кдызылорда облысыныц жерплпеп арзан, Bpi кррлары кеп саз топырак, шеге кум жене бентонит саздары к,олданылды.

Аталган шиюзатгардьщ химиялык, минерологаялык, курамдары жэне физика-механикалык icaciieiTcpi зерттелдь

Зерттеулердщ нэткжесшде саз топырак, - бентонит сазы жопе саз топырак, - mere кум - бентонит сазы композиция непздершде математикалык, жосиарлау эд1стерш к,олдана отырып кдбырга буйымдарыньщ оштшальды кдоамдары аныкталды. Композиция курамдарыныц жаналыгы онертабыскэ бершетш алдын-ала патентен (№9724) дэледцещу.

Алынган кдбырга буйымдарын кзлыптау, кеггпру, кувд!ру технологаялык, сатыларында реологиялык-курылым Kacnerrepi, кушцру температурасына байланысты физика-механикалык; кэсиеттершш озгеру жэне минерал тузшу зандылы стары аныкхалды. Алынган кабырга буйымыиьщ 6epirriri 15-20,2 МПа, суыкка тезвщшМ 25-30 цикл.

Композициялык, кдбырга буйымдарыньщ технологаялык, оддстер! жэне шарттары аныкталып (енертабыскд бершетш алдын-ала патент №9822) Тартогай idpniui зауытында (Тартогай стансасы) жоне "Жедцорстрой" ААК, СМП-4 мекемесшщ fcipnim зауытында (Кдызылорда к,аласы) сынакц-ан exin вщцркже енпзшд1 Жылына 5 млн. дана Kipnim шыгару 3.350 мыц тецге экономикальщ тишдМк беред1

У