д.т.н. Р.К. Ниязбеква, PhD Р.Т. Каумбаев,

м.т.н. А.Н. Омарбаева, м.т.н. Л.С. Отарбаева,

кафедра «Стандартизация и сертификация», Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан

Исследование качественных показателей сырья для получения керамзита

Отходы промышленности занимают огромные территории, наносят значительный ущерб окружающей среде. Вовлечение отходов в производство, их утилизация способствует сокращению огромных площадей, занятых под хранилища, отвалы, улучшает состояние биосферы.

При производстве строительных материалов и конструкций можно применять отходы добывающей, металлургической и нефтехимической промышленностей.

В настоящее время существует множество различных технологий по переработке нефтеотходов [1-2]. В частности, разработана технология утилизации нефтешлама и применения его в производстве асфальтобетонных смесей на битумах, вспененных нефтешламах, а также из обезвоженных донных нефтешламов изготавливается вспученная добавка «Керамзит».

Керамзит занимает первое место по объему производства из всех искусственных пористых заполнителей. Для его изготовления наиболее пригодны легкоплавкие глинистые породы, характеризуемые способностью вспучиваться при обжиге. Химический состав этих пород находится в следующих пределах: 50-55% - Si0₂, 15-25%-АI₂О_з, до 3%-СаО, до 4%-МgО, 6,5-10%-(Fе₂0_з+ +FeO), 3,5-5%-(Nа₂О+К₂О). Они не должны содержать более 30 % песчаных и пылеватых частиц, а также карбонатные частицы крупнее 0,2 мм, гипс и более 1-2 % тонкодисперсных органических примесей. В качестве сырья для производства керамзита применяют также золу ТЭС или золошлаковую смесь.

В целях исследования влияния органических и железосодержащих добавок на вспучиваемость глин были исследованы свойства глин различных месторождений. В таблице 1 представлены данные определения химического состава глин.

Таблица 1 – Составы глин

	Химический состав, мас %
	SiO2	Al2O3	Fe2O	CaO	MgO	R2O	SO3	ппп
Глина 1	66,87	14,60	5,73	2,330	1,83	3,0	1,01	4,2
Глина 2	49,02	11,74	4,91	14,20	2,86	3,21	0,87	11,8
Глина 3	61,17	21,09	4,47	0,73	1,32	2,65	0,9	7,01
Глина 4	59,18	23,74	2,47	1,05	2,35	4,13	0,38	5,36

Рентгенофазовый анализ легкоплавкой глины (1) показал наличие минералов плагиоклаза, биотита, гематита, кварца. В суглинках (2) кварц, альбит, гематит. В тугоплавкой глине (3,4) содержатся плагиоклаз, кварц.

Были изучены технологические свойства местных глин и определен коэффициент вспучиваемости, который составил: 0,8 (глина1); 0,4 (глина 2), 0,2 (глина 3), 0,25 (глина 4). Изучение структуры обожженных глин показало, что в случае легкоплавких глин образуются стекловидные фазы, которые, вероятно способствуют образованию тонкой ячеистой структуры. Предполагается, что понижение усадки образцов обеспечивается образованием анортита, в рудах содержался кварц, гранаты, карбонаты, то в массах образуются алюмосиликаты, что подтверждается данными рентгенофазового анализа. При использовании в шихтах металлургических шлаков в различных количествах 2%,5% уже при температуре 800-900⁰С наблюдается появление большого количества стеклофазы, что свидетельствует о модифицирующем действии компонентов шлаков. Для увеличения стеклофазы рекомендуется добавка сталеплавильных шлаков в количестве 2-5%.

Изучение технологических свойств тугоплавких глин, используемых для производства керамзита, эксперименты с образцами, содержащими различные количества нефтешламов и сталеплавильных шлаков, позволило выявить составы шихт для получения керамзита с оптимальной поровой структурой. В таблице 2 приведены химический и минералогический составы лесса, используемого предприятиями строительных материалов для производства керамзита.

Таблица 2– Химический и минералогический составы глин

Компоненты	Содержание, мас %			Фракция, мм	Содержание, %
	мини- мальное	макси- мальное	сред-нее		мини-мальное	макси-мальное
SiO2	34,05	69,02	58,29	более 0,5	0,00	21,70
Al2O3	17,21	23,63	20,76	0,5-0,05	0,00	63,95
Fe2O3	3,21	6,97	4,16	0,05-0,01	0,00	79,00
CaO	0,36	1,58	0,52	0,01-0,005	1,00	50,30
MgO	0,39	3,10	1,59	0,005-0,001	4,70	50,80
Na2O-K2O	2,52	2,07	2,56	0,001 и менее	5,40	45,40

Месторождение глин находится в Джамбулской области, откуда на предприятие доставляется железнодорожным транспортом в полувагонах. Сырье в карьере не дробится и трудно поддается выгрузке. Глины представляет собой слоистую, камнеподобную породу сероватого цвета, тугоплавки, умеренно пластичные. Отмечается загрязненность сырья горными породами, металлическими предметами. В таблице 3 приведены показатели качества глин.

Таблица 3 – Свойства тугоплавких глин для производства керамзита

№ п/п	Свойства глин	Величина
1	Число пластичности	15,5
2	Температура спекания, ^оС	1200
3	Огнеупорность,^оС	1470
4	Коэффициент чувствительности к сушке	0,8
5	Воздушная усадка	8,4

Для исследования свойств местной глины были подготовлены образцы, которые формовали пластическим способом, высушивали при комнатной температуре, в сушильном шкафу при 105⁰С, затем обжигали в лабораторной печи при температурах 950, 1000, 1050, 1100⁰С. В качестве добавок вводили 5% кислых сталеплавильных. Составы шихт приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Составы шихт

№ п/п	Сырье	Содержание компонентов в массе, %
		N1	N2	N3	N4	N5	N6
1.	Глина тугоплавкая 4
2.	Сталеплавильный шлак	-	-	5	-	-	-
3.	Ферросплавный \шлак	-	-	-	5	5	-

Исследования микроструктуры шлаков показало наличие в сталеплавильных шлаках соединений хрома. Исследования технологических свойств показали, что процесс обжига отличается от бездобавочного. Замечено, что при температурах 800 -950 в образцы имели мелкопористую структуру, при температуре 950-1000⁰С - небольшое торможение спекания. Рентгенофазовый анализ проб выявил наличие анортита. Шлаки также оказывают влияние на спекаемость масс. При температурах выше 1050⁰С отмечено повышение стеклофазы, уменьшение пористости. На рисунках 1,2 показаны микрофотографии поверхностей образцов, содержащих металлургические шлаки. На рисунках видны соединения железа – гематита, что подтверждается рентгеновским анализом. Спекание масс с добавкой шлаков происходит при температурах 950-1000⁰С. Видимо, это связано с минералогическим составом вводимых компонентов. Ионы Fe, содержащиеся в шлаке, деполимеризуют структуру и способствуют быстрейшем упоявлению легкоплавких соединений. О появлении пироксенов и стеклофазы в спеках свидетельствуют данные петрографических анализов.

Рисунок 1 – Микрофотографии сталеплавильных шлаков с содержаниемсоединений Mg, SiO₂ х280

Рисунок 2 – Микрофотографии сталеплавильных шлаков с содержаниемсоединений Fe, х280

В таблицах 5,6 показаны технологические и физико-технические свойства образцов. Результаты испытаний образцов показали эффективность применения тугоплавких глин совместно со шлаками для изготовления керамзита.

Таблица 5 – Технологические свойства масс

№ п/п	Формовочная влажность	Пластич-ность	ТКЛР, α·10^6, ^0С^-1	Усадка, %
				воздушная	Огневая	общая
1	17,9	13,5	6,94	3,0	3,8	6,8
2	18,1	14,0	6,87	4,5	3,9	8,4
3	18,1	13,8	7,63	4,5	4,0	8,5
4	17,5	19,8	7,44	3,0	4,6	7,6
5	17,4	13,9	7,87	3,1	4,5	7,6
6	17,8	13,8	7,67	5,4	5,1	10,5

Таблица 6 – Физико-технические свойства образцов

№ п/п	Темпера-тура, ^0С	Объемная масса, г/см^3	Водопоглощение, %	Прочность, МПа
				при сжатии	при изгибе
1	950 1000 1050 1100	1,71 1,70 1,68 1,66	17,4 16,5 16,1 15,8	24,06 39,44 45,06 51,27	10,67 11,56 12,4 13,72
2	950 1000 1050 1100	1,86 1,88 1,94 1,95	16,3 16,37 15,9 15,1	20,36 40,56 47,34 53,50	13,4 14,7 15,34 16,9
3	950 1000 1050 1100	1,74 1,79 1,82 1,87	16,85 15,9 15,2 15,0	25,31 43,4 43,34 52,76	12,42 13,38 14,9 16,26
4	950 1000 1050 1100	1,64 1,69 1,62 1,68	17,24 17,14 17,0 16,5	19,06 22,44 38,44 49,46	10,2 10,5 11,34 11,56
5	950 1000 1050 1100	1,66 1,69 1,7 1,71	16,8 16,2 15,5 15,3	20,12 21,47 40,25 48,13	9,8 11,4 11,52 12,3
6	950 1000 1050 1100	1,54 1,58 1,59 1,60	18,6 18,0 17,4 17,2	20,0 21,11 36,7 43,4	9,7 10,8 11,1 11,5

Петрографические исследования обожженных при различных температурах образцов показали, что наилучшая пористая структура наблюдалась в случае введения сталеплавильных шлаков в количестве 5%. Шлаки оказывают положительные воздействие на спекание масс. Отмечено, что снижение усадки объясняется появлением каркаса из равнонаправленных игольчатых кристаллов. Появление расплава связано с растворением примесей, компонентов шлаков, содержащих легирующие компоненты. Изучение структуры и фазового состава сталеплавильных шлаков показало, что наряду со стекловидными мелкокристаллическими фазами, в них содержатся соединения хрома, которые, вероятно, и оказывают модифицирующее действие на структуру материала. Также имеются соединения железа, при восстановлении которого выделяются газы, способствующие образованию пористой структуры. Растворение указанных компонентов способствует лучшему спеканию. Повышение пористости связано с кристаллизацией минералов и уменьшением количества жидкой фазы. Коэффициент вспучивания при введении сталеплавильных шлаков при температуре ниже 950⁰С увеличился до 0,3.

Пористость материалов с ячеистой структурой образуется из ячеистой пористости (макропористости) и пористости межпоровых перегородок (микропористости). Из общего объема пористости на долю ячеистой приходится примерно 90%.

Объем ячеистой пористости определяется пространственным расположением пор (упаковкой), распределением пор по размерам (сочетанием пор различных размеров), максимальным и средним размером пор, их формой, толщиной межпоровых перегородок.

Наибольшие значения пористости достигаются в условиях геометрически правильной плотной укладки (упаковки) пор, к которым относится кубическая и гексагональная. Оптимальной ячеистой структурой следует считать равномерно распределенную в объеме материала пористость в виде полидисперсных по размеру, замкнутых, деформированных в правильные многогранники пор, разделенных тонкими и плотными, одинаковыми по сечению межпоровыми перегородками с глянцевой поверхностью пор. Чтобы получить высокие значения пористости и добиться рационального ее строения, что обеспечивает повышенные строительно-эксплуатационные свойства теплоизоляции, необходимо оптимизировать следующие характеристики ячеистой структуры: однородность распределения пористости в объеме материала, толщина межпоровых перегородок, плотность межпоровых перегородок [3,4].

Однородность распределения пористости в объеме материала. Равномерность распределения пористости в поризованных системах подчиняется статистическим законам.

Однородность распределения пористости зависит от однородности смеси, и прежде всего от равномерности распределения порообразователя; однородности температурного поля и реологических характеристик по объему материала; воздействия «пристенного эффекта», тормозящего вспучивание массы; кинетики изменения пластично-вязких свойств массы во времени и ряда других технологических факторов. Теоретический анализ и экспериментальная проверка показывают, что однородность распределения пористости в объеме большинства теплоизоляционных материалов может быть значительно повышена путем совершенствования технологии.

Таким образом, проведенные эксперименты выявили механизм вспучивания и спекания керамических масс с добавкой сталеплавильных шлаков. Полученные результаты предопределяют возможность использования металлургических шлаков для повышения вспучиваемости тугоплавких глин и открывают пути для широкого применения отходов промышленности для модификации структуры пористого заполнителя легких бетонов (рисунок 3, 4). Как видно из рисунков, добавка 3% сталеплавильных шлаков способствует образованию пористой структуры в стекломассе (рис.b). В общем случае, количество стекловидной фазы в шихте увеличивается, а при температуре 950-1000^оС образуется стекловидная фаза и пористая структура. Вероятность образования такой структуры объясняется влиянием железистых соединений. В лабораторных экспериментах получены образцы с кажущейся плотностью 0,2-0,5 г/см³ и коэффициентом вспучивания 4.

а) b)

c) d)

Рисунок 3 – Образцы на основе легкоплавкой глины и 3% сталеплавильных шлаков, обожженных при температуре: а) 900⁰С; b) 950⁰С; c) 1000⁰С; d) 1050

a) b)

c) d)

Рисунок 4 – Образцы на основе легкоплавкой глины и нефтешламов в количестве: а) 2%, b) 3%; c)4%; d)5%

Литература:

1. Емков А.А., Мансуров Р.И. Термохимическое обезвоживание сверхтяжелыхнефтей // Тр. ВНИИСПТнефть. – 1987. – С. 29-34

2. Кикаева О.Ш., Маякова Н.С., Борисова Н.В. Строительные материалы из отходов производства // Экология и промышленность России. – 1997. - №12. – С.23-28

3. Будников П.П., Гинстлинг А.М. Реакции в смесях твердых веществ. – Изд. 3-е. – М.: Стройиздат, 1979. – С.28-40

4. Использование отходов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий / Обзорная информация. - Москва, 1984.