Введение к работе
Актуальность работы. Успешное развитие стройиндустрии неразрывно связано с производством эффективных стеновых керамических изделий. Важнейшими мероприятиями, повышающими эффективность стеновой керамики являются: снижение плотности и теплопроводности за счёт увеличения пористости черепка и пустотности изделий; повышение механических показателей; ускорение технологического процесса и снижение производственных затрат; улучшение качества внешнего вида; выпуск лицевого кирпича разнообразной цветовой гаммы и различной формы.
Одним из сдерживающих факторов развития промышленности стеновой керамики является сырьевая база. Большинство кирпичных заводов, особенно на юге России, испытывают по ряду причин трудности именно с сырьём. Во-первых, большая часть качественного глинистого сырья для получения стеновой керамики уже выработана. Предприятиям приходится использовать сырьё, обладающее неудовлетворительными керамическими свойствами, содержащее карбонатные, сернистые примеси. Во-вторых, в силу генезиса суглинки имеют небольшую мощность отложений и покрывая почти сплошным чехлом дочетвертичные породы, очень изменчивы по вещественному составу и свойствам. Следствием этого является необходимость постоянной корректировки технологии, ввод различных добавок, весьма ограниченный выпуск лицевого керамического кирпича. В-третьих, как правило, месторождения суглинков находятся на пахотных землях, что вызывает серьёзные сложности при переводе земель из сельскохозяйственного в промышленное назначение. Для лицевых изделий важным показателем является цвет, особенно светлых тонов, получить который на основе суглинков достаточно сложно. В связи с этим, расширение сырьевой базы промышленности стеновой керамики с использованием нового нетрадиционного сырья является весьма актуальной научно-технической проблемой. В качестве одного из перспективных путей решения этой проблемы предлагается использование кремнистых опал-кристобалитовых пород – опок и их разновидностей – опоковидных пород, имеющих широкое распространение во многих регионах России. Залегают опоки обычно близ поверхности на возвышенных участках, являясь рельефообразующими отложениями. Месторождения отличаются большой мощностью продуктивных толщ и выдержанностью состава. Всё это создаёт хорошие горнотехнические предпосылки для разработки, особенно применительно к новым условиям недропользования. Особенности состава и структуры обуславливают широкий диапазон физико-технических свойств получаемых изделий, а технологические особенности позволяют существенно снизить производственные затраты с использованием ресурсо- и энергосберегающих технологий.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом НИР РГСУ по направлению «Инновационные технологии в производстве строительных материалов и теоретические основы повышения их долговечности» по теме «Разработка теоретических и практических основ получения стеновой керамики на основе кремнистых опал-кристобалитовых пород», в соответствии с программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Архитектура и строительство» и программам администраций республик, краёв и областей ЮФО, а также в рамках инициативных НИР и хозяйственных договоров с предприятиями стройиндустрии и геологоразведочными организациями ЮФО. Инновационный проект «Керамический кирпич пониженной плотности на основе кремнистых опал-кристобалитовых опоковидных пород» удостоен Золотой медали VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2008 г.). Разработка «Технология производства эффективных стеновых изделий на основе кремнистых опал-кристобалитовых пород» являлась лауреатом конкурса инноваций в рамках Международного форума «EXPOPRIORITY–2011». Проект «Керамический кирпич на основе кремнистых пород» удостоен диплома IX Международного экономического форума «Предпринимательство Юга России: Инновации и развитие».
Цель исследований – разработка научных и технологических основ получения, управления структурой и прогнозирования свойств изделий стеновой керамики на основе различных литологических разновидностей кремнистых опал-кристобалитовых пород – опок, установление критериев их оценки и реализация результатов исследований на практике.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
– изучить и проанализировать опыт производства стеновой керамики в стране и за рубежом и определить наиболее перспективные пути развития;
– проанализировать состояние сырьевой базы стеновой керамики, выявить особенности распространения, запасы, условия залегания и разработки опоковидного сырья;
– рассмотреть и проанализировать взаимосвязь в системе «вещественный состав - керамические свойства - технологические особенности» различных литологических разновидностей опок;
– разработать литолого-технологическую классификацию опок как сырья для производства стеновой керамики;
– определить закономерности и механизм формирования структуры, фазового и минералогического состава керамического черепка и свойств изделий на основе опок различных литологических разновидностей;
– выявить перспективные модифицирующие добавки, улучшающие свойства сырья и готовых изделий при производстве керамического кирпича на основе опок;
– разработать технологические схемы производства и установить оптимальные параметры в зависимости от вещественного состава и структурных особенностей исходного сырья;
– реализовать результаты научной работы на практике: получить эффективные изделия с улучшенными физико-техническими характеристиками в условиях действующего производства, оценить технико-экономическую целесообразность и эффективность использования опоковидного сырья.
Научная новизна работы.
1. Разработаны научные положения и технологические решения получения эффективных изделий стеновой керамики на основе кремнистых опал-кристобалитовых пород – опок и их разновидностей – опоковидных пород, отличающихся улучшенными эксплуатационными свойствами с применением ресурсо- и энергосберегающих технологий.
2. Разработана научно-обоснованная литолого-технологическая классификация опок как сырья для производства стеновой керамики, включающая девять литолого-технологических видов позволяющая прогнозировать способы, технологию производства, а также свойства получаемых изделий.
3. Сформулированы основные положения технологии производства стеновой керамики из опоковидного сырья способом компрессионного формования изделий в сочетании с сухим (полусухим) способом подготовки пресс-порошка. Установлено, что для получения качественных изделий с требуемыми физико-техническими показателями степень измельчения сырья должна осуществляться до фракций от 0–0,5 до 0–2,5 мм. С увеличением степени измельчения возрастает прочность и плотность изделий. Структура отпрессованных изделий может быть охарактеризована как разнозернистая базального типа. При этом крупные частицы заключены в оболочку более мелких, содержание которых должно быть достаточным для получения плотной упаковки. Для глинистых и частично среднеглинистых разновидностей опок при достаточно тонком измельчении сырья (менее 0,5 мм) может быть рекомендован способ экструзионного (пластического) формования изделий.
4. Установлены технические и структурные особенности пресс-порошков на основе опок, учитывающие различные уровни взаимосвязей, что позволило выделить их в отдельную группу. Выявлено, что формовочная влажность для них значительно выше в сравнении с глинистыми пресс-порошками. Для типичных «нормальных» опок интервал влажности находится в пределах 18–28 %, для опок глинистых карбонатных – от 12 до 20 %. Интервал оптимальной влажности, при которой достигается максимальное уплотнение пресс-порошка, максимальная прочность сырца и обожжённых изделий составляет 4 8 %. Давление прессования должно составлять 10–30 МПа. Доказано, что основным критерием для достижения наибольшей прочности изделий является максимальная плотность прессовок в пересчёте на твёрдую (минеральную) фазу, которая достигается при определённых параметрах влажности пресс-порошка и давлении прессования, при отсутствии дефектов прессования. Установлено, что газовая фаза в прессовках для получения качественных изделий должна составлять 5–15 % по объёму.
5. Установлены и теоретически обоснованы зависимости и основные взаимосвязанные факторы управления технологическим процессом для получения изделий с заданными свойствами. Для способа пластического формования такими факторами являются: степень измельчения исходного сырья и температура обжига; для способа компрессионного формования – степень измельчения, степень уплотнения, характеризуемая плотностью в пересчёте на твёрдую фазу, и температура обжига. Прочность изделий из одного и того же сырья при варьировании вышеуказанных факторов изменяется в очень широких пределах – от 10 до 30–60 МПа. Керамический черепок в силу микропористости опоковидного сырья обладает пониженной плотностью – 1200–1600 кг/м3, и соответственно пониженной теплопроводностью 0,3–0,5 Вт/мС. Выявлено, что температура обжига изделий на основе опок в зависимости от вещественного состава составляет 950–1100 С. Наблюдаются прямые зависимости: выше температура обжига – выше прочность и плотность.
6. Выявлены качественно новые закономерности формирования фазового состава и структуры обожжённых изделий на основе опок. Установлено, что опал при обжиге переходит в кристобалит. С повышением температуры обжига наблюдается рост структурного совершенства кристобалита. Присутствие легкоплавких глинистых примесей активизирует этот процесс. Терригенный кварц, присутствующий в опоках, остается инертной примесью. В карбонатных разновидностях в процессе обжига за счёт опала, кальцита и глинистых минералов происходит образование волластонита, анортита, геленита и других кальциевых алюмосиликатов. В целом микроструктура черепка может быть охарактеризована как микропористая полукриптокристаллическая.
7. Установлено и теоретически обосновано положительное влияние тонкодисперсного равномерно распределенного карбонатного компонента в карбонатных опоках и искусственных композициях на физико-технические свойства изделий при его содержании до 25–30 %. Определены следующие закономерности: плотность черепка при увеличении содержания карбоната кальция снижается, а прочность повышается при его содержании до 14–20 %, а затем снижается. Наилучшими соотношениями прочности и плотности обладают изделия на основе карбонатных опок.
Установленные закономерности, положения и выводы не противоречат существующим теоретическим положениям физической химии силикатов и строительного материаловедения.
Достоверность полученных результатов. Обоснование методик исследований, принципов формирования структуры материалов, прогнозирование свойств изделий, разработка технологических основ производства стеновой керамики на базе опоковидного сырья выполнялись с использованием фундаментальных основ и закономерностей материаловедения, минералого-петрографических основ литологии, научных положений и технологий, разработанных ведущими учёными в данных областях науки. Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена методически обоснованным комплексом стандартных методик и современных методов исследований с использованием сертифицированного и поверенного оборудования, применением математических методов планирования экспериментов и статистических методов обработки результатов, многочисленными опытно-промышленными испытаниями и положительными результатами практического внедрения.
Практическая значимость работы.
1. Предложены критерии оценки и методика испытаний опоковидного сырья для производства стеновой керамики, основанная на комплексном научно-практическом анализе принятых методик испытаний глинистого сырья и особенностей свойств кремнистых опал-кристобалитовых пород. Вовлечение опок в производство позволит существенно расширить сырьевую базу промышленности стеновой керамики, а геологоразведочным организациям переоценить месторождения данного сырья, разведанные для других целей.
2. Разработаны технологические принципы и схемы производства керамического кирпича на основе опок, подтверждённые патентами на полезные модели. Предлагаемые технологические схемы могут быть укомплектованы оборудованием, производимым в России. Себестоимость кирпича на основе опок ниже на 10–35 % в сравнении с кирпичом на основе традиционного глинистого сырья.
3. Кирпич на основе опок обладает низкой плотностью, которая для полнотелого кирпича составляет от 1200 до 1600 кг/м3. Это позволяет, с учетом пустотности, производить условно-эффективные и изделия высокой и повышенной эффективности с классом по средней плотности от 0,8 до 1,4. Кирпич на основе карбонатных опок имеет светлую окраску (цвета - жёлтый, розовый, бежевый с различными оттенками), что делает его весьма привлекательным для использования в качестве лицевого. Полученные стеновые материалы отличаются повышенным коэффициентом конструктивного качества.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе РГСУ при чтении курсов лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Строительные материалы», «Материаловедение», «Технология керамики», «Технология изоляционных материалов», «Специальные технологии», «Проектирование предприятий». Также материалы диссертации используются при выполнении курсовых и дипломных работ. Дипломные проекты и работы, выполненные по данной тематике, неоднократно занимали призовые места на региональных и всероссийских конкурсах по специальности «».
Реализация результатов работы. В настоящее время спроектирован и построен кирпичный завод в г. Новочеркасске (ООО «Тандем-ВП»), использующий в качестве сырья карбонатные опоки Нагольновского месторождения. Спроектирован и строится завод по производству кирпича на основе опок Шевченковского месторождения в г. Новошахтинске. Проводятся предпроектные работы по строительству завода в г. Миллерово. Проводится реконструкция нескольких кирпичных заводов для их перехода на использование опок как основного сырья и как компонента шихты. Проведены многочисленные опытно-промышленные испытания, подтверждающие полученные теоретические и практические результаты.
На защиту выносятся:
– установленные закономерности технологических свойств различных литологических разновидностей опок, обусловленные особенностями структуры и вещественного состава;
– разработанные критерии оценки и методика испытаний опок как сырья для производства стеновой керамики;
– разработанная литолого-технологическая классификация опоковидного сырья и установленная взаимосвязь между химико-минералогическим составом, технологическими свойствами и качественными характеристиками изделий;
– научные представления о закономерностях спекания и фазообразования керамических масс на основе опок различного вещественного состава;
– подход к основам управления технологическим процессом для получения изделий с заданными свойствами, обусловленный управлением и варьированием различными взаимосвязанными факторами;
– особенности формирования структуры керамического черепка на основе опок различного вещественного состава при различных технологических параметрах;
– выявленный механизм положительного влияние карбонатного компонента на свойства керамического черепка и установленные оптимальные содержания его в сырье и искусственных кремнисто-карбонатных композициях;
– разработанный алгоритм получения изделий с заданными свойствами, основанный на трех взаимосвязанных факторах: степенью измельчения исходного сырья, степенью уплотнения сырца в пересчете на твёрдую фазу и температурой обжига;
– разработанные технологические схемы производства керамического кирпича пониженной плотности с улучшенными эксплуатационными свойствами, подтверждённые патентами и результатами внедрения.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях, симпозиумах и совещаниях регионального, всероссийского и международного уровней: Регионального геологического совещания, (Ессентуки, 1990 г.); Всесоюзной конференции ВМО АН СССР, (Тюмень, 1991 г.); Всесоюзной конференции «Экологические аспекты производства строительных материалов», (Пенза, 1992 г.); Международного симпозиума «Повышение долговечности с/х зданий и сооружений», (Новосибирск, 1993 г.); Международной конференции «Эффективные материалы для стеновых ограждающих конструкций», (Ростов н/Д, 1994 г.); XXVII и XXIX научно-технических конференциях, (Пенза, 1995,1997 г.); Региональной конференции «Проблемы геологии, оценки и прогноза полезных ископаемых», (Новочеркасск, 1995 г.); III Международной конференции «Экология города», (Ростов н/Д, 1996 г.); Международных научно-практических конференциях «Строительство», (Ростов н/Д, 1997–2012); Всероссийской литологической школы, (Ростов н/Д, 1998 г.); Восьмых академических чтений РААСН «Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения», (Самара, 2004 г); VII, XII, XIV научно–практических конференциях по направлению «Технология художественной обработки материалов», (Златоуст, 2004 г., Ростов н/Д, 2009 г, Архангельск, 2011 г.); XIII Международном семинаре Азиатско–Тихоокеанской академии материалов «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века», (Новосибирск, 2006 г.); научно-технических конференциях Одесской государственной академии строительства и архитектуры (Одесса, 2006, 2008 г.); Международной научно-технической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов», (Пенза, 2006 г.); 64-й научно–технической конференции «Современные строительные материалы и технологии их производства», (Новосибирск, 2007 г.); V и VII Международных конференциях «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов», (Волгоград, 2009, 2011 г.); Международной научной конференции «Будiвлi та конструкцii iз застосуванням нових матерiалiв та технологiй», (Украина, Макеевка, 2009 г.); XV, XVI и XVII Международных научно-практических конференциях «Современные техника и технологии», (Томск, 2009, 2010, 2011, 2012 гг.); Международной научно-технической конференции «Наука и технология строительных материалов: состояние и перспективы развития», (Минск, 2009 г.); III Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ, (Новосибирск, 2010 г.); XV академических чтений РААСН – Международная научно-техническая конференция «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии», (Казань, 2010 г.); Международных научно-практических конференциях «Развитие керамической промышленности России – КЕРАМТЭКС–2010», (Краснодар, 2010 г.), «КЕРАМТЭКС–2011», (Ярославль, 2011 г.), КЕРАМТЕКС–2012 (Санкт–Петербург, 2012 г.); 12-й Международной научно-технической конференции: «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», (Тула, 2011 г.); Всероссийской научной конференции «Осадочные формации и связанные с ними полезные ископаемые», (Ростов н/Д, 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники – 2011», (Польша, г. Przemysl, 2011 г.); 10-й и 11-й Международных научно–практических конференциях «Качество, стандартизация, контроль: теория и практика», (Украина, г. Ялта, 2010 и 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (XХ научные чтения), (Белгород, 2011г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано более 150 работ, в том числе в журналах рекомендуемы ВАК «Строительные материалы», «Известия вузов. Строительство», «Вестник МГСУ». По результатам исследований опубликована монография. Получено 14 патентов на изобретения и полезные модели.
Личный вклад автора. Представленные в диссертации теоретические и практические результаты получены лично автором, при непосредственном участии в научных экспериментах и апробации результатов исследований, а также в рамках руководства исследованиями, в которых автору принадлежит ведущая роль в постановке проблем, целей и задач исследований, в планировании экспериментов, анализе и интерпретации полученных результатов. Автору во всех работах, опубликованных в соавторстве, принадлежат сформулированные теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, их анализ и обобщение, раскрывающие научную новизну работы, а также разработки, подтверждающие ее практическую значимость.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 367 источников, и приложений. Работа изложена на 427 страницах, содержит 50 таблиц и 164 рисунка.
