Получение керамического кирпича на основе бейделлитовой глины и отходов минеральной ваты

При температуре 950 ^оС на рентгенограммах исследуемых составов отмечается также появление гематита (d/n = 0,226; 0,269; 0,370 нм, рис. 3).

При повышении температуры  обжига до 1000 ^оС на рентгенограммах образцов  составов 1,2 появляются линии кристобалита (d/n = 0,192; 0,194; 0,403 нм).

Повышение температуры  обжига до 1050 ^оС способствует появлению муллита (d/n =0,182 нм; 0,200; 0,245; 0,252; 0,270 и 0,376 нм), что свидетельствует о начале его кристаллизации.

Муллит имеет короткопризматические  кристаллы, что связано с высоким  содержанием в сырьевых материалах Fe₂О₃, при этом Fe³⁺ замещает Al³⁺, что приводит к ограниченному изоморфизму. Замещение ионов А1³⁺ ионами Fe³⁺ укрепляет кристаллическую решетку муллита и повышает эксплуатационные свойства изделий. 

 

 

Рис. 3.  Рентгенограммы образцов:

А - состав 1; Б - состав 2. Температура обжига, ^оС: 1 – 950, 2 – 1000, 3 – 1050

 

Формирование прочности  и пористой структуры керамических строительных материалов определяется муллитизацией стекла, служащей основной частью каркаса керамики. Химический и минеральный составы в участке муллитизированной стеклофазы керамических материалов на основе бейделлитовой глины и отходов производства минеральной ваты были установлены методом локального рентгеноспектрального анализа с помощью микрозонда фирмы «Сamebax», а с помощью электронного микроскопа определен их фазовый состав.

Необычная форма кристаллов муллита (рис. 4) возникает из-за высокого содержания Fe₂O₃, причем в составе 2 – более высокое содержание оксида железа, чем в составе 1 (табл. 8). С возникновением твердых растворов замещения образуется муллит различного химического состава. При этом Fe³⁺ замещает А1³⁺. Внедрение ионов железа приводит к кристаллизации муллита в виде коротко призматических кристаллов вместо тончайших игл и удлиненно призматических кристаллов.

 

                                        А                                      Б

 

Рис. 4. Микроструктура муллитизированной стеклофазы,

исследуемых составов: А – 1; Б – 2. Увеличение: А х8000; Б х10000

 

Содержание муллитизированной стеклофазы в составах 1 и 2; соответственно равны 35-45 и 30-35 %. Расчетный химический состав оптимальных составов 1 и 2 представлен в табл. 8.

 

Расчетный химический состав керамических масс                              Таблица 8

Состав	Содержание оксидов, мас. %
	SiO2	A12O3	Fe2O3	СаО	MgO	R2O	П.п.п.
1	51,48	14,47	6,12	10,64	6,63	2,12	5,60
2	40,32	14,74	7,67	13,68	3,83	3,62	13,00

 

На основании результатов  локального химического анализа выполнен расчет содержания муллита в муллитизированной  стеклофазе исследуемых составов 1 и 2. При этом предполагалось, что весь глинозем связан в муллит  3Al₂O₃·2SiO₂, в котором содержание  А1₂О₃ составляет 71,8% , а SiO₂ – 28,2 %. По рентгеноспектрограмме в образцах  состава 1 среднее содержание SiO₂   оказалось равным 49,5% , а А1₂О₃ – 12,5%, следовательно, содержание муллита может составлять 17,46 %. Содержание муллита в образцах  состава 2 равно 18,10 %.

Применение керамического  глазурованного кирпича для облицовки  фасадов делает здание более эстетичным, долговечным и создает предпосылки для значительного снижения расходов при его эксплуатации. С учетом периодических ремонтов стоимость поверхности, облицованной керамикой, в 2-3 раза ниже по сравнению с другими видами отделки фасадов зданий.

Для получения глазурованного керамического кирпича исследовались два состава, мас. %: 1) бейделлитовая глина – 57, чапаевский каолин – 8 (приблизительное среднее содержание каолина в глазурях), «королек» – 35; 2) бейделлитовая глина – 57, чапаевский каолин – 8, продукт очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты – 35.

Исследования показали, что для получения термостойкого  глазурованного керамического кирпича  состава 1, имеющего ТКЛР – 6,53 · 10^{-6 о}С^-1, необходимо использовать легкоплавкую глазурь марки ЩЛСО, которая имеет ТКЛР – 6,45 · 10^{-6 о}С^-1. Термостойкость глазурованного керамического кирпича, покрытого глазурью ЩЛСО, равнялась 155 ^оС, глазурями ЛГ-77, 24/75 и Н-23 соответственно – 110, 130 и 100 º С .

Для керамического кирпича  состава 2, имеющего ТКЛР – 6,41·10^{-6 о}С^-1, необходимо использовать легкоплавкую глазурь марки 24/75, которая имеет ТКЛР – 6,40·10^{-6 о}С^-1 и более высокое содержание мела. Термостойкость глазурованного керамического кирпича, покрытого глазурью 24/75, равнялась 140 ^оС, глазурями ЛГ-77, ЩЛСО и Н-23 соответственно – 90, 120 и 100 ^оС.

 

В пятой  главе «Ресурсосберегающая технология производства кирпича, его эксплуатационные свойства и опытно-промышленные испытания» для производства керамического кирпича с использованием отходов производства минеральной ваты представлена ресурсосберегающая технология. Исследования  показали, что использование отходов производства минеральной ваты в составах керамических масс позволяет исключить из технологической схемы дробильное оборудование: щековые и молотковые дробилки для измельчения отощителя.

В работах Э.М. Вершининой, М.К. Гальпериной, А.В. Лыкова было установлено, что поры размером 10^-5-10^-7 м влияют на основные свойства керамических изделий, т.к. могут быть заполнены водой за счет адсорбции влаги из влажного воздуха. При замерзании воды в порах происходит увеличение ее объема на 9 %, что является причиной разрушения керамических строительных материалов. Изучение структуры пористости керамического кирпича проводилось на оптимальных составах.

Исследования показали, что введение в составы керамических масс отхода  производства минеральной ваты – «королька» при температуре обжига 1050 ^оС способствует равномерному распределению пор по размерам. Содержание пор размером от 10^-5 до 10^-6 м составляет 36 %. А.С. Беркман и И.Т. Мельникова «опасными» считают поры размером менее 10^-6 м. Содержание таких «опасных» пор в образцах с отходами минеральной ваты заметно снижается с 44% до 23 и 0%.

Испытание опытных образцов керамического кирпича на ООО «Челно-Вершинский комбинат строительных материалов» показало, что введение в керамическую массу «королька» и продукта очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты значительно улучшает физико-механические показатели кирпича. Для получения опытно-экспериментальных образцов керамического кирпича использовались оптимальные составы, приведенные в табл. 9.

 

Оптимальные составы керамических масс                                            Таблица 9

Компоненты	Содержание компонентов, мас. %
	Состав 1	Состав 2
Образцовская бейделлитовая  глина	60	60
«Королек»	40	0
Продукт очистки отходящих  дымовых газов ВПР минваты	0	40

 

Физико-механические показатели керамического кирпича представлены в табл. 10.

 

Физико-механические показатели кирпича                                         Таблица 10

Показатели	Составы
	1	2
Прочность при сжатии,  МПа	18,8	16,8
Среднеквадратическое  отклонение	1,2	0,6
Коэффициент вариации, %	3	2
Прочность при изгибе,  МПа	3,2	2,8
Морозостойкость,  циклы	>50	35
Плотность кирпича,  кг/м3	1800	1400
Водопоглощение,  %	8	10
Огневая усадка,  %	3,3	2,4
Общая усадка,  %	6,7	5,8

 

Согласно требованию ГОСТ  530-2007 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия», полученные кирпичи, содержащие «королек» и  продукт очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты, соответствовали маркам М 175 и М 150 соответственно.

Ожидаемый экономический  эффект по расчетам  2009 года составит 12 млн. рублей при годовой производительности ООО «Челно-Вершинский комбинат строительных материалов» – 20 млн. штук кирпича.  Наряду с этим, утилизация отходов производства минеральной ваты способствует улучшению экологической обстановки в Самарской области.

 

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

 

1. Отходы производства минеральной ваты, содержащие стеклофазу, содержат незначительное количество муллита, который будет центром кристаллизации муллита при обжиге керамических материалов. Продукт очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты имеет повышенное содержание потерь при прокаливании (п.п.п.=19,3 %) и железа (Fe₂O₃=10,6 %), что будет способствовать обжигу внутри кирпича и инициировать образование жидкой фазы при температурах не выше 950 ^оС.

2. Установлены оптимальные составы для производства керамического кирпича на основе бейделлитовой глины с применением отходов минераловатного производства. Выявлено, что введение в состав керамической шихты до 40 % «королька» способствует увеличению однородности, улучшению реологических и сушильных свойств шихты, снижает проявление склонности к пластическому разрушению и свилеобразованию при формовании изделий. При большем количестве «королька» проявляется низкая способность к растяжению структуры шихты.

3. Исследованы фазовые превращения, протекающие при обжиге кирпича. Установлено, что при обжиге керамического кирпича на основе бейделлитовой глины и отходов от производства минеральной ваты образование жидкой фазы происходит при температуре 950 ºС, что способствует кристаллизации муллита при 1050 ^оС.

4. Исследования показали, что для получения термостойкого глазурованного керамического кирпича на основе бейделлитовой глины и отходов производства минеральной ваты из оптимальных составов необходимо использовать легкоплавкие глазури марок ЩЛСО и 24/75.

5. Изучена структура пористости кирпича при различных температурах обжига, а также взаимосвязь фазового состава и структуры пористости с физико-механическими показателями кирпича.

6. Выявлено, что повышение температуры обжига до 1050 ^оС приводит к снижению содержания «опасных» пор в составах, содержащих отходы минераловатного производства. Введение в составы керамических масс «королька» и продукта очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты способствует  получению однородной по размерам пористости в образцах.

7. Установлено, что полученные в производственных условиях кирпичи, содержащие «королек» и продукт очистки отходящих дымовых газов ВПР минваты, соответствовали маркам  М175 и М150, соответственно, согласно требованию ГОСТ  530-2007 «Кирпич и камень керамические. Общие технические  условия».

Ожидаемый экономический  эффект при годовом выпуске  на ООО «Челно-Вершинский комбинат строительных материалов» 20 млн. шт. кирпича из бейделлитовой глины, содержащего 40 % отходов производства минеральной ваты, составит  12 млн. рублей в год, причем без учета экологической выгоды. Расчет экономического эффекта производился в 2009 году.

Основные положения диссертации опубликованы:

 

- в рецензируемых  журналах, рекомендованных ВАК по направлению «Строительство и архитектура»:

1. Вдовина, Е.В. Исследование механизма формирования глазури в процессе обжига глазурованного кирпича на основе бейделлитовой глины и отходов производства минеральной ваты / Е.В. Вдовина, В.З. Абдрахимов //Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. – 2011. –№1(21).– С. 40-47.

2. Вдовина, Е.В. Термические исследования керамических масс на основе бейделлитовой глины и отходов производства минеральной ваты / Е.В. Вдовина, В.З. Абдрахимов // Строительство и реконструкция. ОрелГТУ. – 2010. –№4(30).– С. 50-52.

3. Вдовина, Е.В.  Фазовые превращения при обжиге керамических композиционных материалов на основе бейделлитовой глины и отходов производства минеральной ваты / Е.В. Вдовина, Е.С. Абдрахимова // Известия вузов. Строительство. – 2007. –№11.– С. 59-65.

4. Абдрахимова, Е.С.  Исследование методом локального рентгеноспектрального анализа муллитизированной стеклофазы в керамических композиционных материалах / Е.С. Абдрахимова, Е.В. Вдовина // Известия вузов. Строительство. – 2008. –№2. – С. 26-31.

          5. Абдрахимова, Е.С. Методика исследования состава газов, выделяющихся при обжиге керамического композиционного материала на основе бейделлитовой глины и продукта сгорания от базальтовой шихты / Е.С. Абдрахимова, Е.В. Вдовина // Известия вузов. Строительство. – 2008. – №9. – С. 25-29.

- в патентах:

6. Пат. 2354626 С2 РФ МПК С04В 33/135. Керамическая масса для изготовления керамического кирпича / Абдрахимова Е.С., Вдовина Е.В.,  Абдрахимов В.З., Абдрахимов А.В., Кожевников В.И.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Самарск. гос. арх.-строит. ун-т. - №2007121989/03; заявл. 13.06.07; опубл. 10.05.09, Бюл. №13. – 4 с.

7. Положит. реш. о выд. пат. № 2009138183/03(054048). Керамическая масса для изготовления керамического кирпича / Вдовина Е.В., Абдрахимов В.З.; заявл. 15.10.09.

- в монографиях: