Economic and practical feasibility of using ash and slag mixture and phosphoric slag in the production of ceramic bricks based on bentonite clay

Full Text

Введение

Экономическая целесообразность. При отстранении государства от субсидирования геологоразведочных работ принципиально важным в современных экономических условиях становится вопрос, связанный с избранием качественного алюмосиликатного сырья для производства товаров массового потребления, к которым относятся стеновые материалы, например керамический кирпич [1]. Но с учетом того, что истощение первосортных естественных сырьевых ресурсов не позволяет решить вопрос массового производства керамического кирпича, необходимо в цепочку сырьевых материалов встраивать оборот отходов производств, который даст ощутимый социально-экономический эффект [2].

Применение отходов производств способствует ликвидации издержек не только на геологоразведочные работы, но и исключает строительство карьеров, что в конечном итоге снижает воздействие отрицательных антропогенных факторов на окружающую среду.

Рециклинг крупнотоннажных отходов в производство товаров широкого потребления, в частности керамического кирпича, значительно сократит потребность в минерально-сырьевых ресурсах, снизит негативные воздействия на природные ландшафты и т. д. Применение крупнотоннажных отходов в производстве керамического кирпича позволит решить одну из основных экономических задач ‒ снижение себестоимости товара повышенного спроса – керамического кирпича, так как вторичное сырье для производства стеновой керамики в два-три раза дешевле, чем сырье естественное [3].

Практическая целесообразность. К одной из исключительно выраженных преград для процесса производства и наращивания ассортимента керамических изделий в XXI в. имеет отношение исчерпание натуральных ресурсов: глинистого сырья, отощающих ингредиентов, плавней, добавок, создающих пористость, и др. [4–6]. Необходима ротация естественного сырья на крупнотоннажные отходы, масштабность которых достигла 2 млрд. т, а площадь участков преодолела 22000 га [7–9]. В работах [10, 11] заявлена генерация отходов горючих сланцев в товары массового потребления, например ‒ стеновой керамический кирпич.

Стеновой керамический кирпич. Этот материал остается уже более 3 тыс. лет наиболее востребованным локальным стеновым материалом, который обеспечивает сбережение цемента, различных дефицитных металлов и сокращает дорожные перевозки. Керамический кирпич относится к строительным конструкционным материалам, обладающим превосходными эксплуатационными, экологическими и эстетическим характеристиками, что обеспечивает потребность его в современном строительстве. Для получение керамического кирпича используют соответствующие компоненты: в качестве связующей – глину с огнеупорностью ниже 1350 °С, отощитель, плавень (интенсификатор спекания) и выгорающие добавки.

Отощитель – совершенствует технологические характеристики глинистого связующего благодаря понижению пластичности, усадки и формирование механического прочного остова [12]. Применение отощителя предоставит возможность роста для формовочного отделения кирпичного производства, производительности, сократит время сушки, снизит количество брака.

Плавни (или интенсификаторы спекания) усиливают спекание глинистого сырья, понижают температуру спекания композиции (керамической шихты) и на 50–80 °С снижают температуру обжига керамического изделия. Следует отметить, что плавни сами должны иметь низкую температуру плавления, т. е. содержать повышенное количество оксидов щелочей или стеклофазу.

Выгорающие добавки создают пористость после их выгорания при обжиге, способствуют более равномерному обжигу внутри изделия и могут выполнять функции отощающей добавки (снижать пластичность). В качестве выгорающих добавок используют угольную мелочь из различных углей с теплотворной способностью 3200–3500 ккал/кг, наиболее дешевым из которых является бурый уголь, который чаще всего используется.

Постановка задачи. Истощение качественных традиционных природных ресурсных материалов для производства керамических материалов строительного направления создало необходимость формировать замену традиционного природного материала на сырье техногенного происхождения. Такой инструментарий используется передовыми странами еще и для безопасности окружающей среды.

Цель работы: а) определить составы исследуемых техногенных сырьевых материалов: химические – оксидный и поэлементный, минералогический и фракционный, а также технологические показатели; б) исследовать влияние фосфорного шлака и золошлаковой смеси на технологические, технические показатели керамического кирпича на основе бентонитовой глины.

Методика исследования. Для установления микроструктуры и поэлементных химических составов сырьевых компонентов ‒ фосфорного шлака, золошлаковой смеси и бентонитовой глины, в предложенном исследовании использовался микроскоп фирмы Jeol (Япония). Для петрографической диагностики применяли: шлифы, прозрачные аншлифы, иммерсионные жидкости, микроскопы МИН-8 и МИН-7. Показатели стеновых материалов документировали по ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические».

Сырьевые материалы

Бентонитовая глина была задействована в качестве связующей, фосфорный шлак в качестве отощителя и фрагментарно как плавень (за счет повышенного содержания стеклофазы), золошлаковая смесь фрагментарно как отощитель и избирательно (за счет повышенной теплотворной способности) как выгорающая добавка.

Стержневые параметры и характеристики сырьевых материалов изложены: усреднённый оксидный химический ‒ в табл. 1, поэлементный ‒ в табл. 2, технологические свойства ‒ в табл. 3, фракционный состав ‒ в табл. 4, металлографический анализ представлен на рис. 1, минералогический ‒ на рис. 2, микроструктура ‒ на рис. 3.

 

Таблица 1. Усредненный химический оксидный состав сырьевых компонентов

Table 1. Average chemical oxide composition of raw materials

Компонент	Содержание оксидов, мас. %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Р2О5	R2O	П.п.п.
Бентонитовая глина	58,89	14, 43	7,2	4,8	2,7	-	3,4	7,85
Фосфорный шлак	43,42	3,81	1,04	46,58	2,48	1,8	0,87	-
Золошлаковая смесь	34,40	10,35	8,78	20,28	3,38	-	2,83	19,98

Примечание: п.п.п. – потери при прокаливании; R₂O = K₂O + Na₂O

 

Таблица 2. Поэлементный химический состав сырьевых компонентов

Table 2. Element-wise chemical composition of raw materials

Компонент	Содержание элементов, мас. %
	С	O	Na	Mg	Al	Si	K	Са	Fe	Р
Бентонитовая глина	1,30	55,8	0,27	1,00	13,46	18,47	3,99	2,46	3,25	-
Фосфорный шлак	-	54,70	0,32	2,94	2,09	18,05	0,30	20,34	0,52	0,74
Золошлаковая смесь	7,44	47,96	0,81	1,93	5,65	16,9	1,53	12,2	5,58	-

 

Таблица 3. Технологические показатели сырьевых компонентов

Table 3. Technological indicators of raw materials components

Компонент	Теплотворная способность, ккал/кг	Огнеупорность, оС
		начало деформации	размягчение	жидкоплавкое состояние
Бентонитовая глина	1200	1180	1200	1230
Фосфорный шлак	-	1300	1320	1350
Золошлаковая смесь	2000	1300	1340	1380

 

Таблица 4. Фракционный состав сырьевых компонентов

Table 4. Fractional composition of raw materials

Компонент	Содержание фракций, %; размер частиц, мм
	>0,063	0,063-0,01	0,01-0,005	0,005-0,001	<0,001
Бентонитовая глина	3	5	6	7	79
Фосфорный шлак	42	23	18	12	5
Золошлаковая смесь	16,84	33,41	32,49	12,68	4,58

 

Рис. 1. Металлографический анализ сырьевых компонентов: а ‒ бентонитовая глины; б – фосфорный шлак; в ‒ золошлаковая смесь

Fig. 1. Metallographic analysis of the raw material components: a ‒ bentonite clay; b ‒ phosphorous slag; c ‒ ash and slag mixture

 

Рис. 2. Минералогический состав сырьевых компонентов: а – бентонитовая глина; б ‒ фосфорный шлак; в ‒ золошлаковая смесь

Fig. 2. Mineralogical composition of the raw material components: a ‒ bentonite clay; b ‒ phosphorous slag; c ‒ ash and slag mixture

 

Рис. 3. Микроструктура сырьевых компонентов: а – бентонитовая глина; б – фосфорный шлак; в ‒ золошлаковая смесь

Fig. 3. Microstructure of the raw material components: a ‒ bentonite clay; b ‒ phosphorous slag; c ‒ ash and slag mixture

 

Бентонитовая глина. Глина, диспергирующаяся в воде до коллоидного положения и состоящая полностью из глинистых минералов группы монтмориллонита, называется бентонитовой [13]. Для повышения формовочных свойств керамических композиций добавляются бентонитовые глины, состоящие из гидрофильных высокодисперсных частиц минерала монтмориллонита.

Монтмориллонит имеет слоистую структуру (см. рис. 3, а), в основе которой размещены трехслойные пакеты, сформированные тетраэдрическими и октаэдрическими слоями.

В настоящей работе использовалась бентонитовая глина Смышляевского месторождения Самарской области: высокопластичная (число пластичности более 25), легкоплавкая (см. табл. 3) высокодисперсная (см. табл. 4). Металлографический анализ глины показал наличие множества мелких включений, но встречаются и средние размеры ‒ 5–10 мкм (см. рис. 1, а), минералогический состав представлен на рис. 2, а.

Фосфорный шлак ‒ это отход производства фосфора. Формируется после обжига при температурах от 1300 до 1500 °С в герметизированной дуговой печи за счет химического процесса [19]. Технические и технологические показатели и свойства фосфорного шлака показаны в табл. 1–4 и на рис. 1–3, б. Металлографический анализ выявил в шлаке включения среднего размера от 8 до 15 мкм, но встречаются и размером до 55 мкм (см. рис. 1, б).

Минералогический состав фосфорного шлака обозначен в основном стеклофазой ‒ (70 %, см. рис. 2) и кристаллическими составляющими ‒ псевдоволластонитом, кварцем и ларнитом.

Золошлаковая смесь образуется от сжигания горючих сланцев. Горючие сланцы при сгорании порождают золошлаковые смеси, технические и технологические показатели и свойства которых показаны в табл. 1–4 и на рис. 1–3.

Технология получения керамического кирпича и его показатели

Для получения кирпича использовалась классическая технология, которая аналогична технологии, представленной в работах [1–2]. Сырьевые компоненты – бентонитовая глина, фосфорный шлак и золошлаковая смесь после просушки до влажности не более 5 % размельчались до прохода сквозь сито с размером ячейки 1 мм, затем компоненты согласно рецепту, представленному в табл. 5, тщательно размешивали, затем смачивали до 22–24 % (до получения пластического теста).

 

Таблица 5. Составы керамических композиций и их пластичность

Table 5. Compositions of ceramic compositions and their plasticity

Компонент	Содержание отходов, мас. %
	1	2	3	4	5
Монтмориллонитовая глина	75	70	65	55	50
Фосфорный шлак	20	20	25	30	30
Золошлаковая смесь	5	10	10	15	20
Пластичность, безразмерная величина	25	20	15	10	8

 

Из полученного теста пластическим формованием изготовляли образцы размером 250×120×65 см (размер кирпича по ГОСТу), которые высушивались до влажности не более 5 % и обжигались в муфельной печи при температуре 1000 °С. Технические (физико-механические) показатели кирпича представлены в табл. 6.

 

Таблица 6. Технические показатели кирпича

Table 6. Technical indicators of bricks

Показатель	Состав
	1	2	3	4	5
Прочность при сжатии, МПа	9,3	12,2	13,1	13,3	12,5
Прочность при изгибе, МПа	2,0	2,6	2,8	3,1	2,8
Морозостойкость, циклы	18	24	26	32	27
Водопоглощение, %	14,4	13,1	12,8	12,4	12,7
Марка кирпича	М75	М100	М125	М125	М100

 

На рис. 4 показан керамический кирпич, полученный из бентонитовой глины без применения отощителей и плавней при температуре 1000 °С.

 

Рис. 4. Кирпич из глины Смышляевского месторождения, обожженный на Тольяттинском кирпичном заводе в туннельной печи при температуре 1000 °С

Fig. 4. Clay brick from the Smyshlyaevsky deposit, fired at the Tolyatti brick factory in a tunnel furnace at a temperature of 1000 °C

 

Обсуждение результатов

Исследования показали, что невозможно получить керамический кирпич из бентонитовой (монтмориллонитовой) глины без применения отощителей (см. рис. 4), а введение в керамические композиции 25 % отощителей позволяет получить кирпич марки не выше М75 (см. табл. 6).

Анализ, осуществленный по параметрам табл. 5 и 6, показал следующее: количественный рост в композиции фосфорного шлака и золошлаковой смеси до 45 % и соразмерное снижение бентонитовой глины до 55 % ориентируют изделие на рост его технических показателей. При пролонгации процента прирастания отощителей и соразмерного убавления глины регистрируется спад показателей.

Минимизация числа пластичности с 25 до 8 взаимосвязана с наращиванием в композиции отощителей с 25 до 50 %. Такое наращивание (при 50 %) разрушительно воздействует на показатели образца, на поверхности которого проявляются после обжига трещины (видимо, за счет снижения склеивающей возможности бентонитовой глины) [14]. Следовательно, предлагаемым составом для получения кирпича марки М125 является состав, содержащий 30 % фосфорного шлака и 15 % золошлаковой смеси.

Выводы

1. Выявлена невозможность создания керамического кирпича из бентонитовой глины без реализации отощителей (см. рис. 4), а введение в керамические композиции 25 % отощителей позволяет получить кирпич марки не выше М75 (см. табл. 6).
2. Анализ, проведенный по техническим показателям, показал следующее: количественный рост в композиции фосфорного шлака и золошлаковой смеси до 45 % и соразмерное снижение бентонита до 55 % ориентируют изделие на рост его технических показателей. При пролонгации процента прирастания отощителей и соразмерного убавления глины регистрируется спад показателей.
3. Минимизация числа пластичности с 25 до 8 взаимосвязана с наращиванием в композиции отощителей с 25 до 50 %. Такое наращивание разрушительно воздействует на показатели образца, на поверхности которого проявляются после обжига трещины (видимо, за счет снижения склеивающей возможности бентонитовой глины). Следовательно, предлагаемым составом для получения кирпича марки М125 является состав, содержащий 30 % фосфорного шлака и 15 % золошлаковой смеси.

About the authors

Evgeny G. Safronov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: ewgenijsafronow@yandex.ru

PhD in Economics, Associate Professor, Associate Professor of the Industrial Economics and Production Management Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeiskaya st., 244

Vladimir Z. Abdrakhimov

Samara State University of Economics

Email: 3375892@mail.ru

Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor of the Land Management and Ecology Chair

Russian Federation, 443090, Samara, Soviet Army st., 141

References

Supplementary files