Строительная керамика на основе техногенного грубодисперсного сырья 05.23.05 - строительные материалы и изделия (стр. 1 )

УДК 666.7         На правах рукописи

Строительная керамика на основе техногенного

грубодисперсного сырья

05.23.05 – строительные материалы и изделия

       

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Республика Казахстан

Алматы, 2010

Работа выполнена в Таразском государственном университете

им.

  Научный консультант                 академик НАН РК, доктор технических

  наук

  Официальные оппоненты        доктор технических наук 

       

  доктор технических наук

       

  доктор технических наук

       

  Ведущая организация  Казахский национальный технический

  университет имени

Защита диссертации состоится «10» декабря 2010 г. в «14-00» час. на заседании диссертационного совета Д 14.03.01 в Научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов (ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ») 52/6, к.306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке в Научно-исследовательского и проектного института строительных материалов (ТОО «НИИСТРОМПРОЕКТ») 52/6, к.306. 

Автореферат разослан «  » ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т.н.

А. Куатбаев

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика дисертации: В результате анализа свойств и особенностей пластичных и непластичных видов сырья обоснована возможность изготовления строительной керамики не только из тонкодисперсных масс, но и из композиций с грубозернистыми компонентами. В данной работе принято направление использования грубозернистых компонентов в составе керамических масс. В соответствии с рабочей гипотезой основой разработки процессов спекания и формирования свойств строительной керамики из составов с грубозернистыми компонентами предполагается моделирование структур строительной керамики из двух - и трехкомпонентных смесей по типу "ядро-оболочка" различных вариантов. Предполагается разработка структур с ядром из частиц суглинка, глины и зерен непластичного  техногенного сырья: гранитный отсев, углисто-кремнистые сланцы, фосфатно-глинистые сланцы, фосфатно-кремнистый сланец, отсев глинистых сланцев, циклонная пыль, доменный шлак. Кроме того, предполагается исследование моделей смешанных структур, когда в оболочке вокруг непластичного ядра из глинистых агрегатов содержатся дополнительные частицы из тонкодисперсных добавок. Для определения закономерностей и критериев формирования структуры керамики с требуемыми свойствами предполагается провести анализ результатов лабораторных исследований составов, структуры и свойств керамики, в ходе опытно-промышленных исследований провести анализ соответствия реальных структур строительной керамики модельным.

Актуальность работы. При производстве строительной керамики используется как природное сырье, так и различные отходы, накопившиеся на металлургических, машиностроительных комбинатах, вскрышные глины угольных разрезов, а также концентраты, полученные от переработки различного минерального сырья.

Возможности использования природного сырья в керамике и критерии оценки его качества изучены достаточно хорошо. Как правило, в керамическом производстве применяют легкоплавкие, тугоплавкие и огнеупорные глины, а в качестве отощителей и плавней используют полевые шпаты, пегматиты и их заменители. Качество сырья зависит от химического и минералогического состава. Все используемое сырье должно соответствовать требованиям ГОСТа или техническим условиям. Однако природное сырье дорогостоящее, так как требуются большие затраты на его разработку, транспортировку и доработку для приведения в соответствие с требованиями ГОСТа. Поэтому в настоящее время все актуальнее использование в керамическом производстве промышленных отходов, которые в ряде случаев представляют собой готовое сырье. Введение вторичного сырья в состав масс для получения керамики делает производство ресурсосберегающим, менее дорогостоящим и в определенной степени способствует решению экологических проблем окружающей среды.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой госбюджетных исследовании ТарГУ им. (2000 – 2010 г.) и по программе фундаментального исследования МОН РК «Физико-химические основы глубокой переработки фосфоритов, природных солей и вторичного сырья нефтегазовой и химической промышленности на средства химизации сельского хозяйства, композиционные материалы и неорганические соединения» (Ф.03.02), раздел «Разработка оптимальных составов и технологии изготовления композиционных материалов на  основе техногенных отходов» (гос. регистр № 000 РК 00001) 2004 – 2006г.

Цель работы – Разработка энерго - и ресурсосберегающей технологии производства строительной керамики на основе техногенного грубодисперсного сырья. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

– моделирование структуры строительной керамики из двух - и трехкомпонентных смесей по типу "ядро-оболочка" с ядром  из непластичных агрегатов при соотношении размеров агрегатов ядра и оболочки от 5 до 60, когда содержание вещества оболочки изменяется от 30 до 50 об. % и охватывает количественные пределы от недостаточных для заполнения пустот между ядрами, до избыточных;

– разработка технологии керамических строительных материалов на основе техногенного алюмосиликатного сырья;

– исследование структуры и свойств керамических строительных материалов на основе высококремнеземистого техногенного сырья;

– разработка составов и технологий керамических строительных материалов на основе доменных шлаков Таразского металлургического завода;

– реализация результатов научной работы на практике: получение высокопрочного и морозостойкого кирпича, облицовочного камня и клинкерного кирпича способом полусухого прессования с использованием техногенного сырья, таких как гранитные отсевы, фосфатно-глинистые, фосфатно-кремнистые, углисто-кремнистые сланцы, ферросиликомарганцевый шлак.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Выявлены закономерности формирования прочных структур грубодисперсной керамики из агрегатов непластичных силикатных пород и оболочек из глинистых агрегатов, искусственных связующих.

- Установлено, что соотношение размеров ядра и оболочки, относительная разность значений модулей упругости и коэффициентов термического расширения, скорость образования расплава в материале оболочки являются главными критериями образования равновесной макроструктуры керамики.

- Высокие эксплуатационные свойства строительной керамики из алюмосиликатного техногенного грубозернистого сырья и глинистых связующих обеспечиваются как за счет формирования реакционноспособной  жидкой фазы, интенсифицирующая растворение кремнезема и глинозема, так и за счет образования муллита, волластонита, анортита.

- Получены зависимости физико-механических свойств прочности, средней плотности, водопоглощения керамических материалов на основе композиционных связующих с использованием щелочных компонентов альтернативных глинистым связующим.

- В результате исследования процессов спекания обжиговой связки из высококварцевого сырья, каолинитовой глины и  легкоплавких добавок предложено уравнение зависимости температуры обжига жидкофазного спекания от времени.

- Определены константы скорости полиморфного превращения кварца при нагревании. Установлена зависимость количества прореагировавшего оксида кремния от времени, что  позволило установить оптимальное содержание щелочного компонента в тонкомолотой  смеси: кварцевое сырье - растворы  щелочных соединений едкого калия, карбоната, нитрата, силиката натрия.

- Выявлены особенности  структурообразования в системе доменный шлак - суглинок-фосфогипс. Установлено что твердофазные и жидкофазные реакции минералообразования ускоряются из-за наличия в фосфогипсе фтористых  и  фосфатных соединений. Для изучаемой системы получены математические уравнения регрессии для основных показателей качества строительной керамики: усадка, водопоглощение, прочность.

Практическая значимость работы. Показаны возможности технологии, открывающие перспективы существенного (на 80-100%) повышения прочности, сокращения длительности производственного цикла, использования нетрадиционного сырья, механизации и автоматизации процессов, экономии тепла, расширения ассортимента продукции. Предложены критерии и методики формирования структуры керамических смесей, обеспечивающие:

- получение строительной керамики с повышенным уровнем прочности, морозостойкости и декоративности;

- возможность управлять этими свойствами и использовать для производства керамики новые виды природного и техногенного сырья.

Предложены составы и технологические принципы формирования грубозернистых композиций, технологии изготовления стеновой керамики марок 150-250 по прочности и 25, 35, 50 и более по морозостойкости, клинкерного кирпича марки более 100 МПа по прочности и по морозостойкости более 50 циклов, ленточной черепицы с прочностью при изгибе 17,5 МПа, тонкой строительной керамики с прочностью при сжатии 90 - 140 МПа и морозостойкостью более 50 циклов.

Разработан программный комплекс «СтройЭл», позволяющий рассчитать энергосберегающий электропривод основного технологического оборудования,

алгоритм построения математической модели производства строительной керамики с использованием метода группового учета аргументов, определен критерий оптимизации управления процессом обжига, рекомендована программа решения полученной задачи линейного программирования.

Материалы диссертационной работы используются в институте ВХЭС ТарГУ им. в лекциях по дисциплине "Технология керамики", "Физическая химия строительных материалов", "Композиционные строительные материалы", при выполнении курсовых и дипломных работ.