Эффективная стеновая керамика на основе высококальциевой золы-уносаратуры
В настоящее время наблюдается объективная тенденция повышения требований, предъявляемых к строительным материалам, в частности к теплозащитной способности, морозостойкости, эстетическим свойствам и т. д. Одним из способов улучшения технико-экономических показателей и повышения качества продукции является расширение сырьевой базы.
В промышленно развитых городах Иркутской области весьма перспективным сырьем для обжиговых материалов являются дисперсные органосодержащие отходы теплоэнергетики и цветной металлургии. Количество образующихся отходов достаточно для удовлетворения потребности в сырье керамических предприятий. Замена глинистой породы на техногенные массы обеспечит экономический эффект за счет уменьшения себестоимости продукции вследствие устранения операции измельчения сырья, сокращения затрат на обжиг и направленного повышения качества изделий.
Результаты исследований, которые ведутся в Братском государственном университете, показали возможность изготовления керамических стеновых материалов с относительно низкой средней плотностью на основе техногенной шихты, включающей высококальциевую золу-унос от сжигания бурых углей Ирша-Бородинского месторождения и микрокремнезем [1]. Морозостойкость таких материалов (15 циклов) отвечает требованиям, предъявляемым к рядовым изделиям.
Для изготовления лицевых изделий необходим ввод добавки — интенсификатора спекания.
Исследованиями Красноярского филиала ВНИИСТРОМ [2] установлено, что при введении фторсодержащих добавок спекание глиномасс происходит интенсивнее, снижается температура образования силикатного расплава, понижается вязкость и увеличивается его подвижность за счет ослабления связей в кремнекислородном каркасе.
Это позволило прогнозировать позитивное влияние фторсодержащих добавок на структурообразование алюмосиликатной керамической матрицы из техногенной смеси.
В данной работе в качестве такой добавки предлагается использовать просыпь от дробления отработанной угольной футеровки (УФ) электолизеров Братского алюминиевого завода (БрАЗ). Исследования УФ показали многокомпонентный
органоминеральный состав этого многотоннажного отхода. По данным БрАЗ, химический состав УФ (мае. %) следующий: F — до 15. А1 -до 15, Na-до 15, С-
Ренггенофазовый анализ порошка УФ, подвергнутого последовательному нагреванию в температурном диапазоне 100—1000°С, подтвердил преобладание в нем графита и фторсодержащих соединений. Последние преобразуются в нефелин при нагреве до 800-1000°С (см. таблицу). Это дает возможность отнести УФ к добавке комплексного действия, которая сочетает в себе флюсующее действие с поризующим эффектом от выгорания графита.
Для изучения фазообразования в золокерамике использовались образцы рационального состава (мае. %), включающие золу-унос — 65, микрокремнезем — 35 и добавку УФ — 5 сверх основной шихты, обожженные при температуре от 600 до 1000°С с интервалом" 50°С. Образцы-цилиндры (d = 40 мм и массой 40 г) формовали методом полусухого прессования при удельном давлении 20 МПа и влажности пресс-порошка 16мас.%.
Изменения в фазовом составе анализировались по выбранным аналитическим линиям восьми обнаруженных фаз, а именно: кварца (Si02), оксида магния (MgO), оксида кальция (СаО), карбоната кальция (СаС03), гематита (ot-Fe203), диопсида (Ca0Mg0-2Si02), полевых шпатов (СаО Al203-2Si~02) и геленита (2СаО Al20rS~i02), По значениям интенсивности аналитических пиков построены графические зависимости (см. рисунок).
Результаты рентгенофазового анализа показывают, что при нагревании до 1000°С шихты с добавкой УФ содержание кварца в системе снижается. Присутствие оксида магния сохраняется до 800°С, кальцита и гематита — до 700°С, оксид кальция зафиксирован при 600°С. Появление диопсида и геленита отмечено при 800°С. Наличие геленита сохраняется в диапазоне температур от 800 до 900°С. Повышение темпе-
ратуры до 950°С приводит к интенсивному росту рефлексов диопсйда в системе, который стабилизируется при 1000°С. Полевые шпаты кристаллизуются при 850°С. Нагревание до 1000°С также обусловливает рост рефлексов этого минерала.
Дополнительными исследованиями установлено, что в массе с добавкой 10% УФ геленит присутствует в более широком температурном диапазоне (800—1000°С).
Важно, что минерализующее воздействие УФ при обжиге приводит к полному связыванию оксидов кальция и магния в полезные кристаллические фазы (диопсид, анортит), дополнительно микроармирующие стенки пор. Морозостойкость облицовочного кирпича при этом возрастает до 75 циклов. Установлено, что остаточная прочность лабораторных образцов, обожженных при 950°С после 75 циклов замораживания и оттаивания, составляет 20,2 МПа, что выше исходной прочности образцов до замораживания (18,5 МПа).
Вероятно, гидратация геленита при насыщении материала водой обеспечивает упрочнение керамической матрицы, компенсирующее деструктивное влияние кристаллов льда при замораживании образцов. Развитое поровое пространство золокерамики обусловливает как высокие значения возможной поверхности для протекания реакции гидратации, так и резервные объемы для размещения продуктов гидратации геленита. X
При сравнении фазовых изменений исследуемой системы зола — микрокремнезем — УФ и известной системы зола — микрокремнезем — Na2C03 (1 мае. %) [3] установлено, что в системе зола — микрокремнезем — Na2C03 (1 мае. %) кристаллизация аналогичных фаз (диопсида, геленита, полевых шпатов) смещена в сторону более высоких температур. В частности, образование диопсида и геленита зафиксировано при 950°С, в то время как в шихте с добавкой УФ эти новообразования синтезируются при 800°С. Это свидетельствует о большей эффективности УФ в сопоставлении с действием Na2C03.
Опытно-промышленная апробация полнотелых кирпичных изделий с добавкой УФ, изготовленных способом полусухого прессования с последующим обжигом на Братском керамическом заводе, показала, что изделия отвечают требованиям ГОСТ
Радиологические исследования золокерамического кирпича, выполненные центром Госсанэпиднадзора г. Братска, показали, что эффективная активность ЕРЫ составляет 91 ± 10 Бк/кг, что позволяет отнести предлагаемый материал к первому классу строительных материалов в соответствии с критериями для принятия решения об использовании строительных материалов (прил. А, ГОСТ
Таким образом, совместное применение в керамических массах дисперсных отходов обеспечивает направленное формирование комплекса заданных свойств, что позволяет получить эффективный керамический материал повышенной морозостойкости с улучшенными теплотехническими характеристиками, способный конкурировать с изделиями из глинистых масс.