ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОГЕННОГО ПРОДУКТА – ФТОРАНГИДРИТА В КАЧЕСТВЕ КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации № МК-3391.2022.4.

The reported study was supported by the Grant of Russian President (grant MK-3391.2022.4).

АННОТАЦИЯ

Выполнен анализ возможности получения керамических материалов путем обжига смеси техногенного сырья - фторангидрита и суглинка. Физико-механические свойства материала были определены при испытании образцов-кубов, которые после формования подвергались сушке при температуре 150°С и обжигу в муфельной печи (температура 800-900 ºС). На основе анализа эмпирических данных оптимальным составом является композиция, включающая 40% сульфатосодержащего вяжущего и 60% суглинка, которая может найти применение в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала.

ABSTRACT

The analysis of the possibility of obtaining ceramic materials by firing a mixture of technogenic raw materials - fluorohydrite and loam. The physical and mechanical properties of the material were determined by testing samples-cubes, which after molding were dried at a temperature of 150 ° C and fired in a muffle furnace (temperature 800-900 ° C). Based on the analysis of empirical data, the optimal composition is a composition comprising 40% sulfate-containing binder and 60% loam, which can be used as a structural and thermal insulation material.

Ключевые слова: суглинок, фторангидрит, техногенные отходы, керамические материалы.

Keywords: loam, fluorohydrite, man-made waste, ceramic materials.

Одна из самых актуальных задач промышленности керамических материалов  ̶ изготовление изделий, соответствующих требованиям энергетической эффективности [1, 2]. При этом можно отметить, что объем производства и использования энергоэффективных материалов в России значительно ниже, чем в европейских странах и Северной Америке, несмотря на то, что там во многих странах мягкий климат.

Ежегодно в различных отраслях промышленности накапливается огромное количество техногенных отходов. На их утилизацию или хранение затрачивается 8-10% стоимости производимой продукции. Использование отходов экономически выгодно, так как исключаются затраты на геологоразведочные работы, на строительство и эксплуатацию карьеров, при производстве керамических материалов уменьшаются затраты на топливо, снижается себестоимость, удельные капиталовложения, уменьшаются площади, занятые под отвалы. Кроме того, использование техногенных отходов - один из эффективных способов экономии природных материалов [3].

В данном исследовании представлены результаты получения керамического композиционного материала на основе фторангидрита и суглинка. Для экспериментов применялись следующие материалы:

1. Фторангидрит – это отход производства плавиковой кислоты предприятия ООО «Галоген» (г. Пермь). В составе вяжущего преобладают гранулы безводного сульфата кальция CaSO₄ с наличием твёрдых гранул остаточной серной кислоты. Средний диаметр частиц – 10, 5 мкм, имеется также нанодисперсная составляющая, средний размер частиц которой 140 нм. При проведении экспериментов материал подвергался дроблению и помолу.

2. Пылеватый суглинок Второго Шабердинского месторождения (Удмуртская Республика, РФ). Суглинок - легкоплавкое (огнеупорность менее 1350 °С), кислое сырье (содержание Al₂O₃ не более 14%) с высоким содержанием красящих оксидов (оксидов железа 4, 71-5, 86%) согласно ГОСТ 9169-75 «Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация».

Для изучения физических характеристик композиционного вяжущего, изготавливались образцы-кубики с номинальным размером 20 мм из теста нормальной густоты. Водотвердое отношение определялось по достижению составами подвижности 165+5 мм в соответствии с ГОСТ 31377-2008. Формование образцов производилось по литьевой технологии. Из каждого замеса изготавливалось по 6 образцов каждого составов.

Составы для эмпирического исследования композиционного вяжущего и его физические характеристики приведены в таблице 1. Материал подвергался сушке в течение 1, 5 часов при температуре 150 ºС до установления постоянной массы образцов. После образцы охлаждались до комнатной температуры, подвергались осмотру, измерению и взвешиванию.

 Результаты осмотра после сушки в сушильном шкафу представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Физические характеристики испытываемых образцов после сушки в сушильном шкафу

Анализ изменения физических свойств образцов показал, что при увеличении содержания глинистого сырья в композиционном вяжущем, возрастает его плотность, за счет сближения глинистых частиц суглинка по мере испарения жидко расположенных между ними водных прослоек. Также при температуре 140-180 °С происходит удаление кристаллизационной гидратной воды и перестройка кристаллической решетки фторангидрита с образованием нерастворимого сульфатосодержащего вяжущего [4].

Средняя плотность образцов после термического воздействия уменьшилась на 11% от исходной плотности, что обусловлено, формированием пор при выделении углекислого газа и водорода, в процессе взаимодействия серной кислоты и карбоната кальция, катализатором которой является воздействие температуры 140-180 °С на фторангидрит [5].

Обжиг образцов производился в муфельной печи при температуре 800-900 ºС в течении 1 часа. Во время подогрева и охлаждения скорость поднятия и снижения температуры составляла 5 ºС/мин. После обжига, образцы, остуженные до комнатной температуры, подвергали осмотру, измерению и взвешиванию.

Результаты осмотра обжига образцов в муфельной печи представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Физические характеристики испытываемых образцов после обжига в муфельной печи

Результаты осмотра образцов после обжига демонстрируют, что, как и после сушки, усадка возрастает с увеличением содержания суглинка. Данная зависимость объясняется огневой усадкой глинистого сырья, так как при обжиге наиболее легкоплавкие соединения суглинка переходят в состояние жидкости, которая обволакивает не расплавившиеся частицы и заполняет промежутки между ними.

Вследствие проведенных выше эмпирических работ, можно заключить, что оптимальным составом по физическим свойствам композита из фторангидрита и суглинка является материал, включающий 40% сульфатосодержащего вяжущего и 60% минерального вещества.

Композиционный материал на основе фторангидрита можно использовать для выпуска стеновых блоков, которые устойчивы воздействию процессов гниения и насекомых. Температурный и влажностный режимы не приводят к развитию деформационных изменений [6,7]. Разработанная композиция на основе фторангидрита может найти применение в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала.

Список литературы:

1. Абдрахимов В.З. Вопросы экологии и утилизации техногенных отложений в производстве керамических композиционных материалов / В.З. Абдрвхимов. – Самара: Самарская академия государственного и муниципального управления, 2010.-160 с.
2. Абдрахимов В.З., Петрова Т.И., Колпаков А.В. Исследование теплопроводности теплоизоляционных изделий из отходов производства без применения традиционных природных материалов // Огнеупоры и техническая керамика. 2012. №1-2. С. 49-52.
3. Аниканова А.Л., Курмангалиева А.И., Волкова О.В., Федорчук Ю.М. Газогипсовые материалы с использованием вторичного сырья// Вестник ТГАСУ. 2018. № 6. С. 126-127.
4. Аниканова Л.А., Волокова О.В., Курмангалиева А.И., Волков К.С. Исследование фторангидритового сырья для получения композиционных вяжущих// Вестник ТГАСУ. 2015. №4 С 160-164.
5. Денисов Д. Ю., Абдрахимов В. З. Определение коэффициента теплопроводности керамического кирпича на основе техногенного сырья // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 11. С. 76-77.
6. Коротких А.Г. Теплопроводность материалов// Издательство Томского политехнического университета. 2011 С. 14-15.
7. Яковлев Г.И., Первушин Г.Н., Грахов В.П., Калабина Д.А., Гордина А.Ф., Гинчинская Ю.Н., Баженов К.А., Трошкова В.В., Дрохитка Р., Хозин В.Г. Конструкционно-теплоизоляционный материал на основе высокопрочного ангидритового вяжущего // Интеллектуальные системы в производстве. 2019. №1. С 150-151.