Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

КЕРАМИЧЕСКИЙ ИСКУССТВЕННЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ (КЕРАМИЧЕСКИЙ ДОРОЖНЫЙ МАТЕРИАЛ) НА ОСНОВЕ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА, МОДИФИЦИРОВАННЫХ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ

Монтаев С.А. 1 Жарылгапов С.М. 1 Рыскалиев М.Ж. 1
1 Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана
На сегодняшний день проблема автодорог остается актуальной. Отсутствие природных материалов, используемых в дорожном строительстве, во многих странах делает актуальным создание производства дорожных керамических материалов на основе дешевых глинистых пород. Проведен глубокий литературный обзор научных работ в производстве заполнителей, которые можно использовать вместо щебня, который применяется при устройстве дорог. Основным сырьевым материалом в нашем исследовании выбран дешевый сырьевой материал – суглинок Западного Казахстана, а модифицированная добавка – волластонитсодержащий шлак фосфорного завода АО «КазФосфат» (г. Тараз). Проведены глубокие исследования химических свойств, микроструктуры, рентгенофазовый анализ сырьевых материалов. С учетом особенностей их свойств разработаны компонентные составы керамических масс. Содержание модифицирующей упрочняющей добавки составило до 3?%. Разработаны технологические параметры производства дорожного материала и определены основные физико-механические свойства исследуемых образцов. Полученный щебень в 1,5–2 раза легче и обладает улучшенными на 25,0–30,0?% теплофизическими и прочностными свойствами, что придает ему новые преимущества по сравнению с традиционным щебнем. Технология на основе дешевых сырьевых материалов, модифицированных отходами в виде волластонитсодержащих шлаков, делает ее ресурсо- и энергосберегающей. В результате экспериментальных данных на основе суглинка, модифицированного шлаками, получили искусственный заполнитель с прочностными показателями и низким водопоглощением.
искусственный заполнитель
прочность
дорожный керамический материал
волластонитсодержащий шлак
свойства
1. Мюррей H.H. Минералогия глин // Applied Clay Science. Elsevier BV. 2007. № 2. С. 150–159.
2. Монтаев С.А., Адилова Н.Б. Технология производства лицевой стеновой керамики на основе двухкомпонентного состава // Вестник НИА РК. 2013. № 2 (48). С. 122–126.
3. Монтаев С.А., Таскалиев А.Т., Жарылгапов С.М., Монтаева А.С., Щучкин С.В. Исследование керамической композиции для получения легкого заполнителя // Успехи современного естествознания. 2012. № 6. С. 40–41.
4. Чазов А.В., Шишмакова М.С. Шлакощелочные материалы в дорожном строительстве // Вестник ПНИНУ. Строительство и архитектура. № 1. 2012. С.114–117.
5. Романенко И.И., Романенко М.И., Петровнина И.Н., Пинт Э.М., Еличев К.А. Вторичное использование в дорожном строительстве щебня, полученного из дробленого бетона // Интернет-журнал Науковедение. 2015. Т. 7. № 1 (26). С. 86.
6. Клюев С.В., Авилова Е.Н. Бетон для строительства оснований автомобильных дорог на основе сланцевого щебня // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 2. С. 38–41.
7. Немчинов М.В., Иваньски М. Применение в щма щебня из шлаков сталелитейного производства // Наука и техника в дорожной отрасли. 2007. № 1. С. 20–23.
8. Монтаев С.А., Таскалиев А.Т., Жарылгапов С.М. Технология переработки кремнистой породы опоки для получения искусственного щебня // Новости науки Казахстана. 2013. Вып. 3 (117). С. 54–59.
9. Указания по испытанию глинистого сырья для производства керамзитового гравия и песка. Изд. 2-е, испр. и доп. ВНИИ-Стром, НИИ Керамзит, Куйбышев, 1980. 63 с.
10. Горин В.М., Токарева С.А., Кабанова М.К. Высокопрочный керамзит и керамдор для несущих конструкций и дорожного строительства // Строительные материалы. 2010. № 1. С. 9–11.

Индустриальная политика Республики Казахстан направлена на получение ресурсо- и энергосберегающих технологий в производстве строительных материалов. В строительной отрасли керамические заполнители имеют большое значение.

Сырьевые материалы, используемые предприятиями в Республике Казахстан в основном представлены низкосортными суглинками и глинами с высоким содержанием карбонатов и песком, что не позволяет получить высококачественный керамический материал [1, 2].

В данное время необходимость в использовании щебня для строительства в Западно- Казахстанской области осуществляется за счет заводов по производству щебня, использующих природные горные материалы. В основном они сосредоточены в районах, где находятся месторождения природных пород, пригодных для производства щебня [3].

В некоторых регионах Казахстана (Западный Казахстан, Атырау, Костанай и другие области) отсутствуют природные горные породы в связи с геологическими особенностями регионов. Стоимость привозных каменных материалов увеличивает в разы стоимость укладки дорожного полотна. Те области, которые не имеют своих природных материалов для производства заполнителей, могут использовать материалы из искусственного камня. Например, керамический материал – керамдор.

Многие ученые занимались проблемами в дорожном строительстве.

Так, в работе [4] была исследована возможность использования шлакощелочного материала в дорожном строительстве, который можно использовать вместо щебня и цемента. Научно-экспериментальные работы проводились с использованием местных глин и шлакощелочных смесей. Также была доказана технико-экономическая целесообразность их использования при сооружении оснований дорог.

Авторами исследован вопрос о возможности применения в дорожном строительстве вторичного щебня из строительного лома от сноса старых построек и боя кирпича. Было установлено, что такое их применение позволяет сократить потребление дорогостоящих каменных материалов, снизить транспортные расходы и сократить площади их хранения. Рекомендовано использовать их на трассах неинтенсивного движения, а также для устройства тротуаров [5].

В статье [6] исследовано применение щебня при устройстве основания дорожного полотна. Результаты исследований показали возможность использования бетонов на основе сланцевого щебня и вяжущих в дорожном полотне.

В статье [7] представлены результаты использования при устройстве дорожного полотна щебня, полученного из сталелитейного шлака. Были определены некоторые свойства, такие как истинная плотность, объемная плотность и др.

Целью работы является исследование получения керамдора на основе глинистых пород в композиции с упрочняющей добавкой.

Во многих видах бетонов в качестве крупного заполнителя используют щебень. Также щебень применяется как насыпной материал при укладке дорожного полотна.

Как известно, щебень может занимать в составе бетонов до 75 %. Надежность и качество дорожного полотна зависит от качественного и прочного щебня.

Существует нехватка щебня, полученного по традиционной технологии: средняя плотность достигает 2500 кг/м3, что является высоким показателем. Заполнители, получаемые из природного камня, используются только для производства тяжелого бетона [8].

Создание керамических искусственных заполнителей делает материал более многофункциональным, обеспечивая не только производство тяжелого бетона, но также открывает широкую возможность производства легких теплоизоляционных конструкционных бетонов.

НИИ «Керамзит» имеет большой опыт применения технологий с использованием глинистых пород для получения высококачественного щебня. Этот опыт послужил основой для производства керамической технологии [9].

Известен зарубежный опыт использования высококачественных гранулированных керамических материалов для мостов и дорожного строительства в США, Японии, Норвегии, Германии, Финляндии и других странах [10].

В Российской Федерации было изготовлено несколько типов высококачественных заполнителей из различных видов местного сырья. Этот относительно новый тип искусственных заполнителей еще широко не используется в строительной отрасли.

Материалы и методы исследования

Технологический процесс получения керамического искусственного заполнителя (керамического дорожного материала) в промышленных условиях рекомендуется осуществлять по следующей технологической последовательности:

а) транспортировка глинистой породы и волластонитсодержащей добавки к складу сырья;

б) переработка сырья;

в) гранулирование сырьевой массы;

г) сушка гранул;

д) обжиг полуфабрикатов;

е) охлаждение обожжённой гранулы;

ж) сортировка и складирование готовой продукции.

Для проведения научно-экспериментальных работ в качестве основного сырья использован суглинок Чаганского месторождения (Западно-Казахстанская область) и волластонитсодержащий шлак (гранулированный шлак фосфорного завода АО «КазФосфат», г. Тараз) в качестве добавки.

Суглинок (рис. 1) состоит из монтмориллонитового компонента, также присутствуют образования гидрослюды, каолинита. На рис. 2 показана рентгенограмма.

Исследован шлак и определен его зерновой состав (табл. 1).

Таблица 1

Зерновой состав шлака

Диаметры отверстий, мм

>2

1,25

0,5

0,355

0,18

<0,14

Остаток, %

11–17

35–38

22–29

9–11

1–3

2–8

mon1a.tif mon1b.tif

а) б)

Рис. 1. Микроструктура суглинка Чаганского месторождения Западно-Казахстанской области в различных увеличениях: а – увеличение 100-кратное; б – увеличение 500-кратное

Суглинок содержит кварц, полевой шпат, кальцит и гематит.

mon2.tif

Рис. 2. Рентгенограмма суглинка Чаганского месторождения

Рентгенофазовый анализ (рис. 3) термообработанного шлака при 900 °С показывает наличие в нем волластонита (d/n = 3,85; 3,50; 3,30; 2,96; 2,706; 2,55; 2,34; 2,18; 2,02; 1,82; 10-10 м), мелилита (d/n = 3,06; 2,86; 2,47; 2,30; 1,98; 1,88; 10-10м) и куспидина (d/n = 3,30; 3,06; 2,55; 2,30*10-10 м).

mon3.tif

Рис. 3. Рентгенограмма гранулированного фосфорного шлака, термообработанного при 900 °С

Химические составы суглинка и волластонитсодержащего шлака приведены в табл. 2.

Таблица 2

Химические составы сырьевых материалов

Наименование сырья

Оксидный состав, мас. %

SiO2

Al2O3

TiO2

CaO

MgO

Fe2O3

SO3

P2O5

F

Na2O

K2O

ППП

Суглинок

52,58

12,25

12,0

2,13

5,1

2,57

3,6

9,78

Волластонитсодержащий шлак

41,3

5,58

46,1

2,04

0,15

0,6

1,7

1,1

0,6

0,94

Сначала сырьевые материалы разламывают в шаровой мельнице МШЛ-1П до прохождения через сито № 1. Из сырьевых материалов готовится керамическая масса с добавлением воды. Конкретные компонентные составы показаны в табл. 3. Увлажненная однородная керамическая масса подается на гранулятор для гранулирования. Далее сырцовые гранулы сушат и обжигают во вращающейся печи RSR120/1000/13.

Таблица 3

Компонентные состношения керамической массы

состава

Компоненты, мас. %

Суглинок

Волластонитсодержащий шлак

1

98,0

2,0

2

97,0

3,0

Исследуемая область температуры обжига 900–950 °С. После обжига образцы охлаждались и подвергались физико-механическим испытаниям (табл. 2).

Таблица 4

Физико-механические свойства полученного продукта

№ состава

Температура обжига,

°С

Насыпная плотность,

кг/м3

Водопоглощение

%

Теплопроводность,

Вт/м·К

Прочность, МПа

1

900

1065

13,72

0,11

6,5

950

1080

11,53

0,12

6,62

2

900

1072

13,77

0,12

6,91

950

1075

11,9

0,12

6,98

Результаты исследования и их обсуждение

Испытания физико-механических свойств керамических образцов проводились по ГОСТ 9758-2012.

Результаты показали, что при увеличении температуры обжига от 900 до 950 °С наблюдается улучшение спекания образцов. При этом водопоглощение и теплопроводность уменьшаются. Прочность при сдавливании в цилиндре увеличивается с добавлением гранулированного шлака до 6,98 МПа.

Полученный щебень 1,5–2 раза легче и на 25,0–30,0 % обладает улучшенными теплофизическими и прочностными свойствами, что придает ему новые преимущества по сравнению с традиционным щебнем.

Разработанные сырьевые компоненты придают следующие свойства сырьевой массе в производстве керамических искусственных заполнителей (керамического дорожного материала):

– улучшаются реологические свойства массы, благодаря содержанию в них тонкодисперсному состоянию тонкомолотого суглинка, способствующего облегчению работ перемешивающего и формующего оборудования;

– снижается чувствительность керамической массы к ускоренной сушке, так как гранулированный доменный шлак естественного гранулометрического состава обладает низкой водоудерживающей способностью, обеспечивающей равномерному удаление влаги по всей поверхности сырцовых гранул, и предотвращает появления сушильных трещин;

– повышается сырцовая прочность гранул, так как происходит взаимоупаковка зерен тонкомолотого суглинка между частицами гранулированного шлака естественного гранулометрического состава.

Предлагаемый метод позволяет использовать низкокачественные лессовидные суглинки в композиции с волластонитсодержащим шлаком. Тем самым способствует расширению сырьевой базы для производства керамических искусственных заполнителей для промышленного, гражданского и дорожного строительства.

Выводы

Предлагаемая технология является перспективной для стабильного обеспечения щебнем тех регионов, где отсутствуют месторождения горных пород для производства щебня требуемого качества. Это переведет его из дефицитного и дорогого материала в разряд легкодоступного и сравнительно дешевого материала.


Библиографическая ссылка

Монтаев С.А., Жарылгапов С.М., Рыскалиев М.Ж. КЕРАМИЧЕСКИЙ ИСКУССТВЕННЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ (КЕРАМИЧЕСКИЙ ДОРОЖНЫЙ МАТЕРИАЛ) НА ОСНОВЕ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА, МОДИФИЦИРОВАННЫХ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ДОБАВКОЙ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 11-2. – С. 205-209;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37304 (дата обращения: 31.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074