Получение керамического кирпича на основе бейделлитовой глины и отходов минеральной ваты

 

На правах рукописи

 

 

 

 

 

Вдовина Елена Васильевна

 

 

 

 

ПОЛУЧЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА

НА ОСНОВЕ БЕЙДЕЛЛИТОВОЙ  ГЛИНЫ

 И ОТХОДОВ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ

 

 

 

 

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и  изделия

 

 

 

 

 

 

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание  ученой степени

кандидата технических  наук

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск

2011

 

          Работа выполнена в АМОУ ВПО «Самарская академия государственного и муниципального управления»

 

 

Научный руководитель:    доктор технических наук, профессор

            Абдрахимов Владимир Закирович

 

Официальные оппоненты:    доктор технических наук, профессор

                                                               Гаркави Михаил Саулович

 

                                                               кандидат технических наук, доцент

  Погорелов Сергей Николаевич

 

Ведущая организация:                         ГОУ ВПО «Петербургский

                                                               государственный  университет

                                                               путей сообщения»

 

 

Защита состоится «19» мая 2011 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.298.08 при ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, Южно-Уральский государственный университет, главный корпус, ауд.1001.

         

          С диссертацией можно ознакомиться  в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

 

Автореферат разослан « 14 »  апреля  2011 г.

 

 

Отзыв на автореферат (2 экз.), заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76, ЮУрГУ,

диссертационный совет  ДМ 212.298.08.

 

 

                                                          

Ученый секретарь

диссертационного совета д.т.н., профессор                                                                                                                                                                                                 

 

 

              

  

 

 

 

Б.Я. Трофимов

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность  темы исследования. В большинстве областей России отсутствуют или ограничены месторождения кондиционных глин и отощителей, пригодных для производства высокомарочного кирпича. В Самарской области сосредоточены запасы бейделлитовой глины, применение которой достаточно ограничено, т.к. в основном для производства керамических материалов используется гидрослюдистая и каолинитовая глины.

Проблема снижения цены сырьевых материалов при производстве керамического кирпича в России в связи с экономическим кризисом приобретает особую актуальность. Одним из аспектов решения этой проблемы является использование промышленных отходов в производстве кирпича. Наиболее перспективное направление в производстве строительных керамических материалов – это использование многотоннажного техногенного сырья. Разработка составов и технологий, позволяющих применять техногенное сырье в производстве строительных керамических материалов, способствует рациональному использованию и значительному сохранению имеющихся природных традиционных сырьевых ресурсов (глины, песка и др.); охране окружающей среды; утилизации промышленных отходов и снижению экологической напряженности в регионе; расширению сырьевой базы для строительных материалов.

Накопленные на сегодняшний день данные по применению техногенного сырья в керамических материалах не систематизированы,  недостаточно изучены перспективные тенденции развития производства керамических строительных материалов, в том числе:

- не исследована возможность  применения в керамическом кирпиче отходов: «королька» и продукта очистки отходящих дымовых газов от вагранки при получении расплава при производстве минеральной ваты в качестве отощителей и интенсификаторов спекания;

- недостаточно исследованы  фазовые превращения, протекающие при обжиге керамического кирпича с использованием отходов минеральной ваты;

- недостаточно изучено влияние  отходов минеральной ваты на кристаллизацию муллита;

- не изучено влияние отходов  минеральной ваты на структуру  пористости керамического кирпича;

- не исследована возможность  получения глазурованного керамического  кирпича на основе бейделлитовой  глины и отходов производства  минеральной ваты.

Бейделлитовая глина, непригодная как самостоятельное сырье для производства керамического кирпича из-за продолжительности сушки, имеет ряд преимуществ: может связать до 40% отходов минеральной ваты, является местным сырьем и качество готового кирпича с отходами минеральной ваты повышается.

Цель работы: разработка теоретических и практических основ технологии высокоэффективного кирпича из бейделлитовой глины с применением отходов минераловатного производства, обеспечивающих утилизацию техногенного сырья и повышение физико-механических показателей керамического кирпича.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- изучить химико-минералогические  составы, физико-механические, реологические,  термические и технологические  свойства сырьевых материалов  и керамической шихты;

- установить оптимальные  составы для производства керамического кирпича на основе бейделлитовой глины с применением отходов производства минеральной ваты;

- исследовать фазовые  превращения, протекающие при  обжиге кирпича;

- изучить структуру  пористости при различных температурах  обжига кирпича;

- изучить взаимосвязь фазового состава и структуры пористости с физико-механическими показателями кирпича;

-исследовать возможность  получения глазурованного керамического  кирпича с повышенной термостойкостью.

Объект исследования – керамический кирпич с улучшенными физико-механическими характеристиками и низкой себестоимостью.

Предмет исследования – эффективные составы керамического кирпича на основе бейделлитовой глины с применением отходов производства минеральной ваты.

Достоверность и обоснованность научных выводов и результатов работы обеспечена большим объемом выполненных экспериментов с применением стандартных и современных методов исследования: рентгенографического, ИК-спектроскопического, электронной микроскопии, ртутной порометрии, дилатометрического, малоуглового диффузного рассеяния рентгеновских лучей, ядерной гамма-резонансной спектроскопии (ЯГРС) и других. При проведении экспериментальных методов анализа использовалось поверенное оборудование. Выводы и рекомендации работы подтверждены выпуском опытной партии образцов кирпичей в производственных условиях.

Научная новизна  работы.

1. Выявлено, что использование отходов минеральной ваты, содержащих более 10% Fe₂O₃, в производстве керамического кирпича на основе бейделлитовой глины обеспечивает при относительно низкой температуре 950^оС образование железистых стекол, благоприятствующих протеканию реакций для кристаллизации муллита.

2. При увеличении температуры обжига до 1050^оС происходит кристаллизация короткопризматического муллита, что связано с замещением ионов Al³⁺ на Fe³⁺. Кристаллизация муллита в керамическом кирпиче способствует повышению его физико-механических показателей.

3. Выявлено, что введение отхода минераловатного производства – «королька» в составы керамических масс на основе бейделлитовой глины, способствует равномерному распределению пор по размерам при температуре обжига 1050 ^оС.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований  влияния отходов минеральной  ваты на фазовые превращения и физико-механические показатели кирпича;

2. Результаты исследований фазовых превращений и пористости при обжиге керамического кирпича;

3. Результаты исследования  взаимосвязи фазового состава  и пористости кирпича с его  физико-механическими показателями;

4. Результаты исследования  получения глазурованного керамического  кирпича с повышенной термостойкостью;

5. Ресурсо- и энергосберегающая технология производства керамического кирпича с применением отходов минеральной ваты, используемых в качестве отощителей и интенсификаторов спекания;

6. Результаты промышленного освоения  и технико-экономическое обоснование производства керамического кирпича с применением отходов минеральной ваты.

Практическая  значимость работы. Впервые разработаны составы керамических масс для производства кирпича на основе бейделлитовой глины с применением в качестве отощителей и интенсификаторов спекания отходов минеральной ваты, что подтверждено патентом РФ, апробированные в производственных условиях на ООО «Челно-Вершинский комбинат строительных материалов». Получены высокоэффективные керамические кирпичи М150 и М175 при температуре обжига 1050 ^оС. Благодаря замене традиционного природного песка на техногенное сырье и за счет повышения физико-механических показателей кирпича, ожидаемый экономический эффект, рассчитанный в 2009 г., составит 12 млн. рублей при выпуске на этом предприятии 20 млн. штук кирпичей в год.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, межвузовских конференциях, в том числе: Международной научно-технической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» в Пензе    (2006); 64, 65, 66-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» в Самаре (2007 - 2009); ХI Международной научно-технической конференции при ХI специализированной выставке «Строительство. Коммунальное хозяйство – 2007» в Уфе (2007); Международной научно-практической конференции «Строительство – 2008» в Ростове на Дону (2008); V Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» в  Волгограде (2009); 67-й Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» в Самаре (2010); II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Кадастр и геоинформационные технологии в управлении городским хозяйством» в Самаре (2010); Всероссийской научно-практической конференции  «Качество и инновации – основа современных технологий» в Новосибирске (2010); II Международной научно-практической конференции  «Актуальные проблемы экологии и охраны труда» в Курске (2010).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК России по направлению «Строительство и архитектура», получен патент РФ и 1 положительное решение на патент РФ, две монографии, 15 научных работ в отраслевых изданиях и материалах конференций.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 188 страниц включает 32 таблицы, 59 рисунков и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, библиографического списка из 193 наименований и приложения.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

Во введении обоснована  актуальность проблемы, задачи диссертационной работы, ее научное, теоретическое и практическое значение.

В первой главе «Основные тенденции и перспективы использования техногенного сырья в производстве керамических материалов» осуществлен обзор советского, российского и зарубежного опыта применения техногенных отложений в производстве керамических строительных материалов. Изучение литературы подтверждает, что  исследование, использование и утилизация техногенного сырья ─ это важные и взаимосвязанные народно-хозяйственные задачи.

Вопросам использования  техногенного сырья в производстве керамических материалов посвящены многочисленные труды известных ученых: В.З. Абдрахимова, А.И. Августиника, Ю.М. Баженова,  Г.И. Бердова, П.И. Боженова, П.П. Будникова, В.И. Верещагина, М.С. Гаркави, О.С. Грум-Гржимайло, И.С. Кашкаева, Г.И. Книгиной, В.К. Козловой, П.Г.Комохова, Г.Н.  Масленниковой, В.Ф. Павлова, Т.М. Петровой, В.В. Прокофьевой, С.Ж. Сайбулатова, Л.Б. Сватовской и многих других.

Многие из отходов  отличаются нестабильностью химико-минералогического  состава, технологических свойств и содержат нежелательные примеси, что доказывает необходимость проведения специальных исследований перед их применением.

Во второй главе «Методы исследования и сырьевые материалы» дается описание сырьевых материалов, а также приведено описание основных экспериментальных методов исследования.

Исследование минералогического  и фазового составов проводили петрографическим, рентгенофазовым,  ИК-спектроскопическим, электронно-микроскопическим методами анализа и ДТА.  Порошковые рентгенограммы   получены на дифрактометре ДРОН-2 при условиях съемки: интервал углов 2θ от 6 до 70º с использованием CuK_α–излучения. ИК-спектры поглощения получены на спектрографе «Speсord 75IR». Для анализа размера частиц в сырьевых материалах был проведен металлографический анализ на микроскопе МИМ-8М. Дифференциально-термический анализ материалов с получением комплексной термической кривой выполнялся в соответствии с требованием ГОСТ 31251-2003. Для получения полных сведений о структурообразовании в керамических материалах проводилось изучение микроструктуры с помощью электронного микроскопа ЭМВ-100Б. Дилатометрические исследования проводились на дилатометре ДКВ-5А в интервале температур 20-700 ^оС. Исследование пористой структуры керамических образцов проводилось с применением ртутного поромера 2000 «Карло Эрба». Исследование микроструктуры керамических материалов проводили с помощью электронного растрового сканирующего микроскопа Phillips 525M. Формирование структуры пористости керамических образцов исследовалось с применением метода малоуглового диффузного рассеяния рентгеновских лучей (РМУ). Микроанализ локализованных участков муллитизированного стекла керамического материала осуществлялся на установке с микрозондом фирмы «Сamebax».