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 |
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.
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).
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.