Введение к работе
Актуальность работы
Современное строительство является потребителем огромного количества материалов, изделий и конструкций, изготовляемых из сырья минерального происхождения. В то же время ежегодно в отвалы выбрасываются десятки и сотни тысяч тонн производственных отходов, представляющих неисчерпаемую и дешевую сырьевую базу для строительства и позволяющих заменить дефицитные природные строительные материалы. Использование отходов различных отраслей промышленности в виде вторичного сырья имеет большое экономическое и экологическое значение: обеспечивает снижение затрат на исходное сырье, утилизацию отходов, сокращение вредных выбросов в атмосферу, водные объекты и почву, уменьшение потерь полезных ископаемых при добыче и переработке и т. д . В настоящее время в отвалах России скопилось около 9 млрд. т, а в каждом промышленно развитом регионе образуется ежегодно порядка 5 млн. т отходов. Добиться успеха в деле использования промышленных отходов различного рода производств нельзя без использования последних достижений науки и техники. Поэтому необходимы фундаментальные научные разработки по использованию отходов и внедрению их в производство. Учитывая, что из добываемого природного сырья по отдельным отраслям 96-98% уходит в отходы, экономическая и экологическая целесообразность утилизации техногенного сырья не вызывает сомнений, т.к. оно способно частично или полностью заменить природное. Вопросам использования различных отходов промышленности в производстве строительных материалов посвящены многочисленные работы видных российских ученых:
П.И.Боженова, П.П.Будникова, Ю.М.Бутта, А.В.Волженского, К.Д.Некрасова, П.Г. Комохова, Н.А.Торопова, Ю.Г. Мещерякова, С.Ф. Кореньковой, Л.Б.Сватовской, В.Я.Соловьевой, В.В. Прокофьевой и ряда других. Благодаря их исследованиям в производстве строительных материалов широко используются такие отходы, как доменные шлаки, фосфогипсы, топливные золы и шлаки, нефелиновые шламы, отходы сланцеперерабатывающей промышленности и другие. Однако проблема использования промышленных отходов далеко не решена. Многие отходы используются совершенно недостаточно, особенно в керамической промышленности. В то же время производство строительной керамики является потребителем огромного количества сырья минерального происхождения.
Разработка технологий изготовления керамических материалов с прогнозируемыми эксплуатационными свойствами на основе побочных продуктов различных отраслей промышленности требует решения целого ряда задач, направленных на оптимизацию технологических процессов и составов.
Цель работы Основной целью являлась разработка и внедрение керамических строительных и декоративных материалов с прогнозируемыми эксплуатационными свойствами и учетом особенностей природы вводимого техногенного сырья.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
выявление особенностей химической природы вводимого техногенного сырья и разработка классификации на их основе;
исследование влияния особенностей природы основных фаз техногенного сырья на эксплуатационные характеристики
керамических материалов -' прочность, ударную прочность, морозостойкость, термостойкость, теплопроводность;
разработка керамических строительных и декоративных материалов широкого ассортимента для строительства и отделки;
внедрение разработанных новых керамических строительных и декоративных материалов на основе техногенного сырья на предприятиях г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области с экономическим и экологическим анализом.
Научная новизна работы 1. Предложена классификация техногенных продуктов, основанная на особенностях электронного строения элемента, образующего катион основной фазы, которая позволяет прогнозировать основные эксплуатационные свойства материала: прочностные, теплотехнические, декоративные, а также долговечность строительной и декоративной керамики. В качестве общего информационного признака взята принадлежность элементов, образующих катионы, к электронному семейству.
2. Установлена взаимосвязь на модельных системах между положением элементов, образующих катионы основных фаз техногенного сырья, в таблице Д.И. Менделеева и эксплуатационными свойствами полученных керамических материалов с их участием, которая состоит в том, что элементы, отличающиеся более высокой энергией электронного уровня, которая возрастает в ряду s-> р -» d и реализуется через химическую связь, при прочих равных условиях, обеспечивают материалу более высокий уровень эксплуатационных характеристик - прочности, морозостойкости, окрашивания, устранения высолообразования, теплопроводности.
3. Установлено, что керамический материал, содержащий вещества
с преимущественно ионной связью в виде техногенных
сульфаткальциевых продуктов (s-фаза по катиону), характеризуется
улучшенными теплотехническими свойствами, в том числе за счет
дегидратации, и осветлением черепка, без снижения марочной прочности.
Новообразованиями являются: P-CaS04, 2(2CaO*Si02)*CaS04
термодинамически устойчивые в заданной области температур.
Исследована пористость полученного керамического материала. На основе
этой части работы созданы рядовой кирпич с улучшенными
теплотехническими характеристиками, лицевой двухслойный кирпич с
сульфатостойким фактурным слоем белого и цвета золотистой охры ,
морозостойкостью 25 циклов, а также технологические решения по
получению гончарных и шамотных масс для художественной и садово-
парковой керамики.
4. Показано, что использование поликатионного (s-,p-,d-)-
техногенного сырья, представленного доменными шлаками, позволяет
улучшить адгезию, морозостойкость и прочностные свойства, введение (р-,
а-)-техногенных продуктов, например, ошлакованного шамотного лома,
содержащего алюмосиликаты и Fe(III), Mn(II), Сг(Ш)-фазы, позволяет
увеличить прочность на удар и изгиб, термостойкость и морозостойкость, а
использование d-техногенного сырья, представленного мартеновской
пылью и окалиной, содержащими Fe(H), Ре(Ш)-фазы, и нейтрализованным
гальваношламом, состоящим из соединений d-металлов, дает возможность
улучшить декоративные свойства, прочность на удар, термостойкость и
морозостойкость за счет образования по границе раздела
взаимодействующих фаз направленных, более прочных контактных
мотивов.
5. Впервые разработан принцип получения газокерамических
материалов на основе s-p-d- техногенного сырья с плотностью от 900 кг/м3,
в основе получения которых лежит реакция разложения вносимого
вещества с выделением кислорода, пористая структура полученной
газокерамики характеризуется общей пористостью до 50 %.
6. Исследована микроструктура отдельных предложенных
керамических материалов и жаростойкого бетона с помощью
компьютерной программы "Видеотест", показано, что содержание шлака,
поликатионного заполнителя, в структуре бетона с сильно ошлакованным
шамотом составляет 7,8% и создает фрагментарную структуру, следствием
чего является повышение термостойкости.
7. Показана возможность получения и исследованы керамические
материалы с использованием нефтезагрязненных грунтов, щелочных
стоков, отработанных адсорбентов, образующихся на ж /д объектах в
результате их функционирования и предложены технологические решения
по их утилизации, что является новым природоохранным , безотходным
комплексным решением.
Практическое значение н реализация работы
1. Произведенная классификация техногенного сырья на s-, р-, d-
техногенные продукты по основной фазе, позволила создать керамические
материалы с прогнозируемыми эксплуатационными характеристиками,
одновременно утилизируя техногенные продукты, предотвращая
экологический ущерб биосферы и способствуя таким образом сохранению
и защите окружающей среды.
2. Получен строительный рядовой керамический кирпич,
содержащий s- техногенное сырье (фосфогипс) до 30% от массы, с
теплопроводностью черепка А.=0,265 Вт/(м С) в сравнении с
контрольным составом с Я=0,350 Вт/(м С) с пустотностью 24%, средней
плотностью 1470 кг/м3 массой 2,8 кг. Первая партия выпущена на АОЗТ НПО "Керамика"в 1992 г.
3. Разработан состав и технологический регламент на получение
фактурного слоя цвета золотистой охры на основе кембрийской глины и
сульфаткальциевого техногенного продукта для лицевого кирпича
Ml 50. ..100, морозостойкостью F25 с сульфатостойкой лицевой
поверхностью, первая партия которого выпущена на АОЗТ НПО
"Керамика" в 1995 г.
-
Разработан состав белого фактурного слоя, на основе беложгущейся глины, включающий до 20% сульфаткальциевого техногенного сырья, для двухслойного лицевого кирпича с улучшенной лицевой поверхностью М 150... 100. На сульфаткальциевый побочный продукт, получивший название "Эколим" разработаны ТУ 5751- 003-00343071-95. Первая партия выпущена на АОЗТ НПО "Керамика" в 1996г.
-
Разработан технологический регламент и технологическая инструкция, получены цветные ангобы на основе кембрийской глины, р-, (s-,p-,d-) и d- техногенного сырья (гранитная пыль, феррохромовый и ижорский шлаки, мартеновская и железосодержащая пыль, окалина, отходы гальванического производства) - желтого, коричневого, темно-коричневого цвета, а на основе бело- жгущейся глины - розового, зеленого и голубого цвета, определены способы нанесения ангобов на кирпич. Полученные ангобированные кирпичи обладают требуемой морозостойкостью (F25) и сульфатостойкостью. Партии ангобированного кирпича различной цветовой гаммы М 150...100 выпущены на АОЗТ НПО "Керамика" в 1996 г. и темно-коричневого цвета на ЗАО "Петрокерамика" в 1999 г. Эксклюзивная партия розового ангобированного кирпича в количестве 15000 штук была использована на строительстве часовни во имя святого благоверного князя Александра Невского в 1999г.
-
Показана возможность улучшения лицевой поверхности кирпича при использовании р- техногенного кремнеземсодержащего сырья (формоотход с Ижорского металлургического комбината) с разным модулем крупности. Произведена оптимизация состава смеси песков с разным модулем крупности с целью максимального использования мелких техногенных песков, приводящая к улучшению лицевой поверхности кирпича с отсутствием посечек от крупных включений и уменьшением высолообразований без снижения механической прочности. Выпущены партии на ЗАО "Петрокерамика" в 1998 г. и на АОЗТ НПО "Керамика" в 1996г.
-
Получен жаростойкий бетон с повышенной термостойкостью (20 теплосмен в сравнении с 5 контрольными) и в три раза большей прочностью на удар за счет введения добавки на основе нейтрализованного гальваношлама, содержащей Fe(IH), Fe(II), Сг(Ш), Ni(II), Cu(II), Zn(II) и получившей название "Мифол-41," а также ошлакованного шамотного заполнителя содержащего Fe(III). Полученный результат связан с фрагментарной структурой бетона и влиянием d-элементов, образующих катионы, на образование направленных пространственных связей по границам раздела фаз.
8. Получены малоглинистые глазурные шликеры зеленой и
коричневой гаммы за счет ввода кислых сточных вод от гальванических
работ, содержащих Cr(III), Fe(III), Cu(II). Присутствие в глазурном
шликере d-катионов совместно с НС1 придает ему высокую стабильность
и окрашивание в зеленые и коричневые тона.
9. Получены образцы газокерамических материалов разного цвета на
основе поликатионного техногенного сырья, имеющие следующие
технические характеристики: плотность 900-1200 кг/м3, прочность на
сжатие 10,0-10,6 МПа, теплопроводность Я=0,157 Вт/(м С).
10. Новизна работы подтверждена двумя патентами № 94040932, № 93021696 и тремя предпатентами с приоритетами: № 2000110681 от 25.04.2000 № 2000126211 от 18.10.2000, № 2000126212 от 18.10.2000 , четырьмя техническими условиями: ТУ 5751-003-00343071-95, ТУ 2133-005-07519745-2000, ТУ 2362-006-07519745-2000, ТУ2322-003-49990652-99, двумя технологическими регламентами и технологической инструкцией для внедрений технологических решений диссертации на предприятиях г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области: 000"Петербургская керамика"-г.Сланцы, ООО "Образъ", ЗАО НПО "Керамика", ЗАО "Петрокерамика"- поселок Никольское.
Материалы диссертации использованы в учебном процессе ПГУПС для студентов строительных специальностей в соответствующих программах и в виде учебного пособия "Инженерная химия. Химическая термодинамика, окружающая среда, материаловедение." Часть II, 1998, ПГУПС.
Достоверность результатов подтверждается большим объемом экспериментов, обоснованностью методов исследования, выпуском опытно-промышленных партий разработанных керамических материалов в условиях действующего производства.
Апробация работ и публикации
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном техническом семинаре (г.Рига, 1991 г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании по химии и технологии цемента (г.Москва, 1991 г.). на Межреспубликанском семинаре (г.Рига, 1991 г.), на научно-технических конференциях в ПГУПСе: "Неделя Науки-91", "Неделя Науки-92", "Неделя Науки-93", "Неделя Науки-94, "Неделя
Науки-95", "Неделя -Науки 96", "Неделя Науки-97", "Неделя Науки - 98", "Неделя Науки - 99", "Неделя Науки 2000", на I Международном Совещании по химии цемента (Москва, 1996), на научно-практической конференции, посвященной 75-летию Строительного факультета, на Международной конференции «Резервы производства строительных материалов» (г. Барнаул, 1997), на научно-методической конференции «Проблемы строительства, реконструкции и капитального ремонта зданий и сооружений на ж.д. транспорте» (ПГУПС, 1997), на 13 International Baustoffcagung September, 1997, Weimar Ibausil, на научных чтениях, посвященных памяти О.П. Мчедлова-Петросяна (г. Харьков, 1998), на I и II научно-технических конференциях СПбГТИ(ТУ), посвященных памяти М.М. Сычева (С-П6Д998, 1999), на Proceedings of the International Conference held at the University of Dundee, Scotland, UK, September 1999, на научно- практической конференции, посвященной 190-летию ПГУПС «Пенобетоны 3-го тысячелетия» (Тепло России, СПб, 1999), на международном экологическом конгрессе "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (СПб, июнь, 2000), The 3rd International Youth Environment Forum of Baltic Countries "ECOBALTTCA 2000"( St. Petersburg ,June 2000 ) .. на Международной научно-технической конференции "Экологические проблемы и пути их решения в XXI веке: образование, наука, техника " (СПб, октябрь , 2000)
Публикации По материалам диссертации опубликовано 40 научных публикаций, в том числе получено два патента.
На защиту выносятся: 1. Классификация техногенного сырья, основанная на принадлежности элемента катиона основных фаз, составляющих данное сырье, к
электронному семейству и ее взаимосвязь с эксплуатационными свойствами керамических материалов.
-
Результаты научных исследований и экспериментов на базе s-,p-,d-техногенного сырья по разработке строительного кирпича с улучшенными теплотехническими свойствами, с улучшенной лицевой поверхностью, фактурных масс при двухслойном прессовании и ангобировании, а также составов глазурных шликеров зеленой и коричневой гаммы.
-
Технологические решения получения жаростойкого бетона с температурой применения до 1000 С, управление теплофизическими и прочностными свойствами жаростойкого бетона путем ввода р-, d-техногенного сырья - гальванических шламов и сильно ошлакованного шамотного лома.
4. Внедрение технологических решений получения фактурных масс для
двухслойного прессования, ангобов, жаростойкого бетона, изделий
садово-парковой и художественной керамики и глазурного шликера на
предприятиях г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области.
5. Получение образцов газокерамики с теплопроводностью
Х.=0,157 Вт/(м С) на (s-p-d)-TexHoreHHOM сырье за счет реакции разложения вводимых веществ с выделением кислорода.
6. Экологическая и экономическая эффективность использования
техногенного сырья.
Объем и структура работы
