Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, несмотря на широкий ассортимент новых строительных материалов, керамический кирпич остается одним из лидеров, ведь это проверенный временем стеновой материал. Кирпичная стена отвечает самым высоким требованиям комфортности и износостойкости, аккумулирует тепло, благоприятно воздействует на климат жилища. Если комфортность деревянной постройки принять за единицу, то комфортность помещений из керамического кирпича соответствует коэффициенту 0,7, постройки из ячеистого бетона имеют коэффициент 0,2, из силикатного кирпича и камней - 0,1-0,08, из железобетона - 0,05.
Несмотря на определенные успехи, достигнутые в области производства стеновых строительных материалов в России и в странах СНГ, сохраняется острая потребность в керамическом кирпиче.
Особый интерес представляют в литературе сведения, касающиеся использования в керамических массах техногенного сырья в качестве отощителя и выгорающей добавки. Техногенное сырье с повышенным содержанием оксида железа и кальция, помимо снижения чувствительности глин к сушке, еще и интенсифицирует процессы обжига (снижает температуру обжига) кирпича, Известно, что СаО, несмотря на высокую температуру плавления, в глиносодержащих массах является сильным плавнем вследствие образования с А1203 и Si02 сравнительно легкоплавких соединений.
Использование техногенного сырья - один из эффективных способов экономии природных материалов, при этом одновременно происходит утилизация побочных продуктов и вносится вклад в охрану окружающей среды.
Производство керамических строительных материалов - одна из самых материалоемких отраслей народного хозяйства, поэтому рациональное использование топлива, сырья и других материальных ресурсов становится решающим фактором ее успешного развития в условиях проводимой экономической реформы. В связи с этим применение в керамических материалах техногенного сырья приобретает особую актуальность.
Предлагаемая диссертационная работа входит в план госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры «Производство строительных материалов изделий и конструкций» Самарского государственного архитектурно-строительного университета.
Поиск путей решения проблем по использованию техногенного сырья, повышения качества кирпича позволило поставить перед собой цель работы: получение керамического строительного кирпича с применением золошлакового материала и фосфорного шлака в качестве отощитедей, выгорающей добавки и интенсификатора спекания.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие взаимосвязанные задачи:
изучить химико-минералогические составы, физико-механические, реологические, термические и технологические свойства сырьевых материалов и керамической массы;
установить оптимальные составы для производства керамического кирпича с применением золошлакового материала, содержащего более 15 % органики и кальцийсодержащего фосфорного шлака в качестве отощителей, выгорающей добавки и интенсификаторов спекания;
- исследовать фазовые превращения, протекающие при обжиге
кирпича;
- изучить взаимосвязь фазового состава и структуры пористости с
физико-механическими свойствами кирпича;
- определить технико-экономическую эффективность применения
разработанных составов в производстве керамического кирпича.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что золошлаковый материал, содержащий более 15 %
несгоревших частиц, способствует образованию гетерогенной
кристаллизации короткопризматических кристаллов муллита при обжиге
кирпича. Необычная форма кристаллов муллита связана с высоким
содержанием в золошлаковом материале и бейделлитовой глине количества
Fe203. Внедрение в твердый раствор ионов железа приводит к
кристаллизации муллита в виде короткопризматических кристаллов вместо
тончайших игл и удлиненно-призматических кристаллов.
Исследоваїшя показали, что фосфорный шлак может заменить природный дорогостоящий волластонит, который снижает усадку керамических материалов, но в отличие от фосфорного шлака не способствует образованию муллита при обжиге керамических материалов до 1100 С.
Выявлено, что фосфорный шлак в отличие от природного волластонита не способствует увеличению содержания кристобалита, снижающего механическую прочность керамических материалов.
Исследования показали, что для получения высокомарочного кирпича в составы керамических масс целесообразно вводить до 25 % фосфорного шлака и до 15 % золошлакового материала, которые способствуют значительному повышению физико-механических свойств кирпича за счет образования на ранних стадиях обжига короткопризматического муллита.
5. Установлено, что введение в состав керамических масс
золошлакового материала уменьшает содержание «опасных» пор размером
10"5-10'7 м с 77 до 66 %, а введение в состав фосфорного шлака - до 52 %.
Кроме того, введение в состав фосфорного шлака способствует более
равномерному распределению в образце пор.
Практическая ценность. 1. Использование в составах керамических масс в качестве отощителя и выгорающей добавки 15 % золошлакового материала, содержащего 2-5 % муллита, позволило получить кирпич на
основе бейделлитовой глины, не пригодной в качестве самостоятельного глинистого компонента для производства кирпича, марок 100-125.
Введение в составы керамических масс фосфорного шлака до 25 % значительно снизило усадку, что позволило исключить деформационные искривления кирпича и повысить его марочность до М200.
Впервые разработаны составы керамических масс для производства керамического кирпича на основе бейделлитовой глины, не пригодной в качестве самостоятельного глинистого компонента для производства кирпича, с применением техногенного сырья: золошлакового материала - в качестве отощителя и выгорающей добавки и фосфорного шлака - в качестве отощителя и интенсификатора спекания. Новизна технических решений подтверждена патентом Российской Федерации № 2341491 «Керамическая масса для изготовления керамического кирпича» (заявка № 2006147155, приоритет изобретения 28 декабря 2006 г, зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 20 декабря 2008 г.).
4. Предложена ресурсосберегающая технология, и на Челно-
Вершинском комбинате строительных материалов в производственных
условиях была выпущена опытно-промышленная партия керамического
кирпича из оптимального состава, мае. %: образцовская бейделлитовая глина
- 60, фосфорный шлак - 25, золошлаковый материал - 15. При температуре
обжига 1050 С был получен керамический кирпич марки М200. За счет
замены традиционного природного песка на техногенное сырье и за счет
повышения физико-механических показателей кирпича ожидаемый
экономический эффект в 2007 г. составил двенадцать миллионов рублей без
учета экологических выгод по использованию отходов производств.
5. Проведенные исследования показали, что использование в качестве
отощителей, выгорающей добавки и итенсификатора спекания
золошлакового материала и фосфорного шлака позволило разработать
ресурсо- и энергосберегающую технологию производства керамического
кирпича со значительным сокращением энергетических ресурсов для обжига
и сокращением производственных площадей массозаготовительного цеха, за
счет исключения из технологии грубого и среднего дробления.
Результаты работы используются в учебном процессе при чтении лекций по дисциплине «Технология керамических материалов».
На защиту выносятся:
ресурсо- и энергосберегающая технология производства керамического кирпича с применением золошлакового материала и фосфорного шлака, используемых в качестве отощителя, выгорающей добавки и интенсификатора спекания;
- результаты исследований фазовых превращений и пористости при
обжиге керамического кирпича;
- результаты исследований влияния золошлакового материала с
содержанием органики более 15 % и кальцийсодержащего фосфорного шлака
на фазовые превращения и физико-механические показатели кирпича;
- результаты исследования взаимосвязи фазового состава и пористости
кирпича с его физико-механическими показателями;
- результаты промышленного испытания и технико-экономическое
обоснование производства керамического кирпича с применением
золошлакового материала с содержанием органики более 15 % и фосфорного
шлака.
Достоверность. Обоснованность и достоверность основных положений и выводов работы обусловлены большим объемом выполненных экспериментов с использованием современных методов научного исследования: рентгенографического, ИК-спектроскопического, электронной микроскопии, ртутной порометрии, дилатометрического и многих других методов анализа. Выводы и рекомендации работы подтверждены выпуском опытной партии кирпича в производственных условиях.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных, всероссийских, региональных, межвузовских и областных конференциях, в том числе: Десятых академических чтениях РААСН «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики строительного материаловедения» (Пенза - Казань, 2006); конференции «Вопросы энерго-, ресурсосбережения и экологии в решении социальных, правовых' ,и финансовых проблем предприятий промышленности и строительства» (Пенза, 2008); 63-й и 64-й всероссийских научно-технических конференциях по итогам научно-исследовательских работ Самарского государственного архитектурно-строительного университета «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, 2006, 2007); IX международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2008); XI международной научно-практической конференции «Экономика природопользования и природоохраны» (Пенза, 2008); Международном конгрессе науки и инновации в строительстве «Современные проблемы строительного материаловедения и технологии» (Воронеж, 2008); II семинаре-совещении ученых, преподавателей, ведущих специалистов и молодых исследователей «Керамика и огнеупоры: перспективные решения и нанотехнологии» (Белгород, 2009); 66-й всероссийской научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ Самарского государственного архитектурно-строительного университета «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» (Самара, 2009).
Вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены: научное обоснование работы, разработана программа экспериментальных и теоретических исследований, исследованы золошлаковый материал и фосфорный шлак, как алюмосиликатное и кальцийсодержащее сырье для производства керамического кирпича, выполнены анализ и обобщение результатов исследований, организация и проведение экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях, организация и
участие во внедрении технологических решений. В работах, вьтолненных в соавторстве, автором сделан основной вклад, выражающийся в формулировании целей и задач исследований, теоретической и методологической разработке и личном участии в проведении экспериментов и обработке результатов исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликована одна монография, 19 научных статей, в т.ч. 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК по направлению «Строительство и архитектура», и получен один патент РФ.
Объем и структура. Диссертация объемом 197 страниц, включая 32 таблицы и 84 рисунка, состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 187 наименований и приложений.
