HEAT-RESISTANT COMPOSITIONS BASED ON WASTE OF ENTERPRISES OF CERAMIC INDUSTRY

Full Text

На предприятиях по производству керамзитового гравия эксплуатируются в основном одно- и двухбарабанные печи. В результате абразивного действия шамотной футеровки вращающейся печи на производимый керамзитовый гравий в горячем конце теплового агрегата, в частности в пылеосадительной камере, накапливается довольно значительное количество пылевидных отходов. Также на стыке двухбарабанных керамзитообжигательных печей в виде просыпи образуется в большом количестве (≈28 м3/сут) керамзитовая пыль, прошедшая обжиг при температурах 700-800 °С. Такая температура обжига глинистого сырья способствует образованию аморфных оксидов SiO2 и Al2O3. Их присутствие в промышленном отходе способствует повышению гидравлической активности материала по отношению к Ca(OH)2. Так, большинство предприятий по производству керамзитового гравия в г. Самаре работают на глинистом сырье Смышляевского месторождения. Образующиеся тонкодисперсные отходы керамзитового производства одного из заводов Самарской области были исследованы в данной работе с целью использования их в составах жаростойких бетонов. Также предметом исследования являются отходы предприятий по производству керамического кирпича. В технологии кирпичного производства очень часто наряду с легкоплавким глинистым сырьем применяются и тугоплавкие глины. Последние позволяют получить в готовой продукции приятный бело-розовый цвет. Однако температура обжига глинистого полуфабриката на основе тугоплавкого сырья составляет 1100- 1150 °С. Получаемый кирпичный бой из такого материала обладает более повышенной огнеупорностью по сравнению с обжиговой продукцией, образующейся с применением легкоплавкого глинистого сырья. В Самарской области один из заводов по производству керамического кирпича использует в качестве сырья тугоплавкую глину Чапаевского месторождения. Образующийся в небольшом количестве кирпичный бой с помощью дробильного и помольного оборудования превращается в шамотную отощающую добавку. Однако повышенная огнеупорность получаемого кирпича позволяет его бой использовать не только в качестве заполнителя жаростойких бетонов, но и в качестве их тонкомолотых добавок в контакте с любыми вяжущими. Получаемые жаростойкие бетоны возможно применять непосредственно на месте образования отходов, т. е. на кирпичном заводе для футеровок вагонеток туннельных печей и других тепловых агрегатов. Жаростойкий бетон, как сравнительно современный материал, получил в последнее время А. И. Хлыстов, Д. И. Исаев, Д. А. Подгорная 57 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 широкое распространение, так как его применение способствует решению важнейшей народнохозяйственной проблемы: индустриализации и механизации огнеупорных футеровочных работ [1]. Жаростойкими бетонами называются особые виды бетонов, обладающих способностью сохранять прочность в условиях воздействия высоких температур в течение продолжительного времени. Жаростойкие бетоны являются безобжиговым искусственным каменным материалом [2]. Они находят все более широкое применение в футеровке тепловых агрегатов различных отраслей промышленности. Преимущества бетона по сравнению с обжиговыми керамическими огнеупорами заключаются в том, что отпадает необходимость в дорогостоящем и трудоемком процессе - обжиге керамики. Жаростойкие бетоны состоят из связки и зап олнителя. Свя зка - это смесь вяжущего с минеральной тонкомолотой добавкой, реже - без нее. Мелкий и крупный зап олнители изготавливают дроблением огнеупорных и тугоплавких горных пород, боя обжиговых керамических и зделий и некоторых других материалов, в частности отходов промышленности. Вяжущее для жаростойких бетонов - это дисперсная система, состоящая из огнеупорного цемента и химической связки и обеспечивающая твердение бетонов и сохранение их прочности при ни зких температурах, сохранение прочности при средних температурах и формирование износоустойчивой структуры вп лоть до высоких температур с минимальным снижением огнеупо рности. К таким вяжущим предъявляются следующие требования: они д олжны обладать адгезионными свойствами, обеспечивать достаточную прочность бетона при твердении; не разупрочняться при нагревании; способствовать формированию износоустойчивой структуры бетона; не снижать огневых свойств бетона - усадочные деформации, термостойкость. Вяжущие для жаростойких бетонов подразделяются на четыре вида: гидравлические (гидратационные), во здушные (силикатные) и сульфатно-хлоридные (периклазовый цемент), химич еские (силикат-глыба, фосфатные и подобные им соединения) и органические [3]. В последнее время большое внимание в технологии жаростойких бетонов уделяется композициям на основе фосфатных связующих, отличающихся высокими техническими свойствами. Однако недостаточная изученность технологических параметров получения бетонов на фосфатных связующих и ограниченная сырьевая база сдерживают широкое внедрение этих технически прогрессивных материалов в промышленность. В настоящее время для изготовления фосфатных жаростойких бетонов в качестве связующего применяются остродефицитные материалы: смеси ортофосфорной кислоты и технического глинозема, корунда, электрокорунда, циркона, хромита и других материалов, что тормозит их широкое применение. Поэтому разработка технологии получения жаростойкого фосфатного бетона с использованием недефицитных материалов является в настоящее время важной научной и практической задачей. До настоящего времени основным видом фосфатных связующих являлись алюмофосфатные, цирконофосфатные и хромофосфатные связующие, которые приобретают прочность только при термообработке. Это обстоятельство создает значительные трудности в производстве и использовании различных изделий и монолитной футеровки. В районах Российской Федерации с развитой химической промышленностью дефицит в сырье для фосфатных связующих и для жаростойких бетонов в целом может быть ликвидирован за счет использования различных минеральных отходов, в частности пиритных огарков, отработанных алюмохромистых катализаторов, отходов предприятий керамических материалов и других, количество которых непрерывно увеличивается [4]. В табл. 1 и 2 представлены физико-химические свойства отдельных пылевидных отходов одного из керамзитовых заводов Самары. Анализ физико-механических показателей показывает, что на основе отходов керамзитового производства возможно синтезирование жаростойких вяжущих с температурой применения до 1100 °С. Такие жаростойкие вяжущие возможно получить за счет применения гидравлических цементов, натриевого жидкого стекла и силикат-глыбы [5]. В составах жаростойких бетонов на портландцементе керамзитовая составляющая в виде тонкодисперсной пыли и выполняющая роль огнеупорной Таблица 1 Химический состав керамзитовой пыли SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 FeO Na2O MgO 64,3 16,3 2,95 5,1 4,9 5,6 0,85 Таблица 2 Физико-механические свойства керамзитовой пыли Показатель Значение Насыпная плотность, кг/м3 750÷770 Тонкость помола (проход через сито 0,14 %) 65÷70 Огнеупорность, °С 1230÷1250 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 58 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ тонкомолотой добавки активно взаимодействует с продуктами гидролиза клинкерных минералов. Так, гидроокись кальция Ca(OH)2, образовавшая в результате гидролиза алита 3CaO·SiO2, взаимодействует с аморфными компонентами керамзитовой пыли - SiO2ам; Al2O3ам еще на этапе нормально-влажностного твердения по следующим реакциям: 20 °C Ca(OH)2+SiO2ам  mCaO·nSiO2·pH2O (1) 20 °C Ca(OH)2+Al2O3ам  mCaO·nSiO2·pH2O (2) В отличие от традиционных составов жаростойких вяжущих на портландцементе с тонкомолотым шамотом, в композициях с керамзитовой пылью химическое связывание CaO в виде Ca(OH)2 начинается уже при нормальных температурах. А в композициях с тонкомолотым шамотом его кристаллические составляющие в виде SiO2 и Al2O3 взаимодействуют уже со свободным CaO, образовавшимся при температурах 500-600 °С в результате разложения гидрооксида кальция Ca(OH)2 по реакции t Ca(OH)2 CaO+H2O  (3) Свободный CaO связывается такими оксидами, как SiO2; Al2O3 и другими присутствующими в огнеупорных тонкомолотых добавках при высоких температурах (700-900 °С) по реакциям: t Ca(OH)2+SiO2ам  nCaO·mSiO2 (4) t Ca(OH)2+Al2O3ам  nCaO·mAl2O3 (5) Таким образом, эффективность применения керамзитовой пыли, выступающей в качестве огнеупорной тонкомолотой добавки в композиции с портландцементом, весьма значительна по сравнению с традиционным тонкомолотым шамотом. Применение керамзитовой пыли в составах жаростойких бетонов на портландцементе позволило повысить их остаточную прочность в зоне критических температур (800-1000 °С). Если остаточная прочность жаростойких бетонов как легких, так и тяжелых с применением тонкомолотого шамота составляет 30-35 %, то у бетонов с использованием керамзитовой пыли данный показатель находится в пределах 45-50 %. Также положительные результаты дает применение натриевого жидкого стекла в составах жаростойких бетонов, в которых в качестве тонкомолотой добавки используется керамзитовая пыль. Замена традиционного отвердителя жидкого стекла, т. е. кремнефтористого натрия на глиноземистый цемент, позволила повысить температуру применения жаростойкого бетона на шамотном заполнителе до 1300 °С, а термическую стойкость - до 25 водных теплосмен. Однако использование фосфатных связующих для синтезирования вяжущего позволило повысить огнеупорность жаростойкой композиции на основе керамзитовой пыли до 1300-1350 °С. Разработана технология изготовления жаростойкого бетона на алюмохромофосфатной связке (АХФС), керамзитовой пыли, керамического щебня и песка, полученного путем дробления боя с Чапаевского кирпичного завода. В качестве связующих были взяты следующие жидкости затворения: ортофосфорная кислота, алюмохромофосфатная связка и жидкое стекло. Как известно, фосфаты металлов имеют высокие температуры плавления. Поэтому протекание реакций типа «оксид-фосфатное связующее» позволило ряд легкоплавких веществ в керамзитовой пыли перевести в тугоплавкие. Условно заполнители в зависимости от размера частиц можно разделить на три группы - крупный (щебень), мелкий (песок) и тонкомолотую добавку (порошок). Свойства заполнителей из боя чапаевского керамического кирпича (щебень, песок) представлены в табл. 3 и 4. На базе алюмохромофосфатного связующего (АХФС), жидкого стекла и заполнителя, полученного из боя чапаевского керамического кирпича с применением керамзитовой пыли, были подобраны составы жаростойкого бетона и набивной массы. Составы бетона и результаты испытаний представлены в табл. 5. В связи с тем, что бетонные смеси на основе керамзитовой пыли с использованием H3PO4 на воздухе не твердели, а требовали термообработки, нами были разработаны составы набивной массы. Керамзитовая пыль, как показывают опыты, в своем составе содержит глинистую составляющую, что обеспечивает пластичность набивной массы. На ортофосфорной кислоте были изготовлены образцы набивной массы, которые немедленно можно распалубить. Состав огнеупорной набивной массы и результаты испытаний представлены в табл. 7. Таблица 3 Характеристики щебня, полученного из чапаевского керамического кирпича Показатель Ед. изм. Результаты испытаний Насыпная плотность кг/м3 1012 Пустотность % 45,6 Истинная плотность г/см3 2,51 Водопоглощение % 9,8 Огнеупорность °С Более 1420 А. И. Хлыстов, Д. И. Исаев, Д. А. Подгорная 59 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 Таблица 4 Характеристики песка, полученного из чапаевского керамического кирпича Показатель Ед. изм. Результаты испытаний Насыпная плотность кг/м3 1211 Пустотность % 49,6 Истинная плотность г/см3 2,51 Огнеупорность °С 1420 Таблица 5 Расход материалов на изготовление 1 м3 бетонной смеси Класс бетона по температуре применения Состав бетонной смеси, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа, после твердения и нагрева до температуры, °С Термостойкость (водные теплосмены) 20 400 800 1300 И13 Керамзитовая пыль с циклонов - 345 Щебень из боя чапаевского кирпича, фр. 5-10 - 645 Песок из боя чапаевского кирпича - 755 АХФС (= 1,5 г/см3) - 450 15,9 32,4 31,7 33,4 28 Таблица 6 Расход материалов на изготовление 1 м3 бетонной смеси Класс бетона по температуре применения Состав бетонной смеси, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа, после твердения и нагрева до температуры, °С Термостойкость (водные теплосмены) 20 400 800 1300 И12 Глиноземистый цемент - 150 Керамзитовая пыль с циклонов - 300 Щебень фр. 5-10 из боя чапаевского кирпича - 650 Песок из боя чапаевского кирпича - 750 Жидкое стекло натриевое (= 1,34 г/см3) - 360 17,9 30,6 28,4 27,9 25 Таблица 7 Расход материалов на изготовление 1м3 огнеупорной набивной массы Класс бетона по температуре применения Состав бетонной смеси, кг/м3 Предел прочности при сжатии, МПа, после твердения и нагрева до температуры, °С Термостойкость (водные теплосмены) 20 400 800 1300 И13 Керамзитовая пыль с циклонов - 445 Песок из боя чапаевского кирпича - 1320 Ортофосфорная кислота (= 1,52 г/см3) - 310 4,8 37,1 40,9 44,8 28 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 4 60 СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Выводы. 1. Доказано, что использование керамзитовой пыли в составах жаростойких бетонов на портландцементе позволило повысить их остаточную прочность в зоне критических температур (800-1000 °С). 2. Выявлено и обосновано, что использование фосфатных связующих для синтезирования вяжущего позволило повысить огнеупорность жаростойкой композиции на основе керамзитовой пыли до 1300-1350 °С. 3. Как показывают опыты, керамзитовая пыль в своем составе содержит глинистую составляющую, что обеспечивает пластичность набивной массы. Представлены составы образцов набивной массы на ортофосфорной кислоте, которые немедленно можно распалубить. 4. Применение боя керамического кирпича, полученного из тугоплавкой глины Чапаевского месторождения, позволило получить широкую гамму эффективных жаростойких бетонов на различных вяжущих и заменить традиционный, весьма еще дефицитный шамотный заполнитель. 5. Полученные, таким образом, жаростойкие вяжущие на основе керамзитовой пыли, портландцемента, жидкого стекла и фосфатного затворителя явились основой для получения эффективных жаростойких бетонов и набивных масс, используемых непосредственно для продления срока службы футеровок тепловых агрегатов на заводах, где образуются данные отходы.

About the authors

A. I. KHLYSTOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

D. I. ISAEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

D. A. PODGORNAYA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files