П.Н. ЖЕЛЕЗНЫЙ, инженер, И.А. ЖЕНЖУРИСТ, В.Г. ХОЗИН, кандидаты техн. наук,
Казанская государственная архитектурно-строительная академия
О возможности применения зол и шлаков ТЭС в различных отраслях промышленности известно давно. В настоящее время, когда традиционные сырьевые материалы стали дефицитны и часто дороги, к зольным отходам снова появляется интерес [1, 2].
Минерально-сырьевая база керамической промышленности Республики Татарстан бедна запасами качественного глинистого сырья. Эта проблема стоит остро и для Казанского региона. Растущие темпы гражданского строительства нуждаются в качественном керамическом рядовом и лицевом кирпиче.
За долгие годы в республике накоплены значительные объемы отходов различных производств, в том числе золы ТЭС. Их использование — важная экологическая и экономическая задача.
В настоящей работе была изучена возможность применения зольных отходов Казанской ТЭС-2 в производстве строительной керамики из суглинков Казанского региона. Для исследования были выбраны перспективные с точки зрения местонахождения суглинки Новониколаевского, Калининского и Кощаковского месторождений. Суглинок Новониколаевского месторождения лежит вблизи отвалов зольных отходов ТЭС-2 (объем залегания суглинка 1,25 млн м3, объем зольных отходов — 780 тыс. т). Химический состав используемых сырьевых компонентов представлен в табл. 1. Гранулометрический состав Новониколаевского суглинка представлен следующими фракциями: <0,005 мм — 20—30%, 0,005—0,05 мм — 60-70%, 0,05-1 мм — 10-20%. Зола представляет собой порошок серого цвета, гранулометрический состав которого представлен в табл. 2.
Минеральный состав золы формируется из связанных оксидов Si, Al, Ti, Fe, Ca, Mg, S, микроэлементов Sr, Mn, Cd, Ba, Zr, Pb и представлен на 70% стеклофазой и 15% аморфизированным глинистым веществом, кварцем, карбонатами Ca, Mg, гематитом, муллитом. Содержание углерода в пределах 8—10% [3, 4]. Характеристика глинистого сырья представлена в табл. 3.
Было проведено сравнение прочностных характеристик образцов-цилиндров, изготовленных по полусухой технологии из суглинков Новониколаевского, Калининского и Кощаковского месторождений. Оптимальный гранулометрический состав пресс-порошков следующий: фракция 3-1 мм — 45-55%, фракция <1 мм — 55-45%. Влажность пресспорошков — 8-9%. Плотность образцов, отформованных при давлении прессования 22-27 МПа, составляла 2-2,2 г/см3. Образцы сушились и обжигались в муфельной печи при скорости поднятия температуры 40-50оС/ч. Выдержка при максимальной температуре — 1 ч.
Было установлено, что максимальная прочность при сжатии для кощаковской и калининской глин достигается в интервале температур 900— 1000оС с дальнейшим ее снижением при повышении температуры. Та же прочность для образцов из новониколаевской глины достигается в зоне 1000—1100оС. Таким образом, производство кирпича из новониколаевского суглинка потребует повышенных энергозатрат. В связи с этим были проведены исследования возможности повышения прочности керамического черепка из новониколаевского суглинка в интервале температур 900— 1000оС. Был проведен подбор шихты на основе нковониколаевского суглинка и золы ТЭС.
Образцы прессовали и обжигали по вышеописанной технологии. Медленный подъем температуры от 700оС до максимальной обеспечивает полное выгорание углерода и равномерный по объему обжиг.
Таблица 1
|
Сырье |
SiО2 |
Аl2O3 |
ТiO2 |
Fe2O3 |
СаО |
МgО |
SO3 |
Nа2О+К2О |
п.п.п. |
| Суглинок калининский |
67-72 |
12,6-14,5 |
4,6-7,5 |
1,4-2,9 |
1,8—2,2 |
следы |
1,98 |
4,5 |
|
| Суглинок кощаковский |
68-72 |
10,9-12,1 |
0,72 |
3,6-3,8 |
2,28 |
1,8 |
0,04 |
3,4-3,6 |
3,8-4,6 |
| Суглинок новониколаевский |
73-74 |
10-11 |
0,54 |
4,17 |
2,49 |
1,59 |
0,06 |
1,89 |
3,87 |
| Зола ТЭС-2 (Казань) |
48-52 |
19-24 |
0,6-0,7 |
4-6 |
3-6 |
2-4 |
0,2-0,7 |
1,3-2,3 |
8-19 |
Таблица 2
| Фракция, мм |
1 |
0,5 |
0,315 |
0,2 |
0,1 |
0,063 |
0,05 |
< 0,05 |
| Содержание,% |
1,7 |
2,5 |
3,4 |
6,7 |
28,7 |
12,8 |
23,9 |
13,3 |
Таблица 3
|
Суглинок |
Содержание тонкой фракции <0,001 мм, % |
Содержание Аl203 в пересчете на простое вещество, % |
Содержание гигро-скопической воды, % |
Число пластичности |
Чувствительность к сушке (по Чижскому), с |
Спекаемость |
Огнеупорность, оС |
Rсж, МПа |
Rиз, МПа |
| Калининский |
40 |
14,45 |
3 |
12-20 |
98-110 высокочувствительный |
Неспекающийся |
1288 |
26-40 |
18-26 |
| Кощаковский |
20,16 |
12,92 |
2,95 |
10-12 |
125 среднечувствительный |
Неспекающийся |
1295 |
13-23 |
13-20 |
| Новониколаевский |
24,2 |
10,51 |
2,46 |
8-12 |
152 среднечувствительный |
Неспекающийся |
1350 |
40-56 |
3-7 |
В процессе обжига золокерамический материал дополнительно разогревается за счет внутреннего тепловыделения при выгорании частиц кокса, окиси углерода, содержащихся в порах стеклофазы. Температура образцов может превышать температуру среды на 80-100оС, что оказывает существенное влияние на формирование прочной структуры керамического черепка [1, 5].
Зологлиняная шихта на основе новониколаевского суглинка представляет собой высокодисперсную композицию (содержание фракции <1 мм для состава с 20% золы — более 70%), которая при увлажнении водой представляет собой малопластичную массу. На рис. 1 показана зависимость прочности при сжатии образцов из 100% новониколаевского суглинка и шихты с 20% золы ТЭС от влажности шихты.
Из рис. 1 видно, что при температуре обжига 1000оС для новониколаевского суглинка наибольшая прочность достигается при полусухом прессовании. Это может быть объяснено высоким содержанием в суглинке высокодисперсного кварца (фракция 0,005—0,05 мм — 60—70%). Введение в суглинок мелкодисперсной золы ТЭС и увеличение влажности формовочной смеси повышает пластические свойства массы, способствует равномерному уплотнению сырца при прессовании. Это обусловило увеличение прочности образцов при 1000оС в диапазоне влажности пластического формования. Для этого диапазона влажности были испытаны составы с различным содержанием золы (рис. 2).
| Rсж,МПа | Rсж,МПа |
 |
 |
| Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии образцов от влажности шихты: 1 — суглинок новониколаевский (100%), Тобж = 1000оС; 2 — шихта: суглинок новониколаевский (80%) + зола (20%), Тобж = 950оС; 3 — шихта: суглинок новониколаевский (80%) + зола (20%), Тобж = 1000оС | Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии образцов от количества добавки золы (влажность шихты 20%): 1 — Тобж = 950оС; 2 — Тобж = 1000оС; 3 — Тобж = 1050оС |
Структурообразование в глинах и керамических материалах, представляющих собой полиминерально-коллоидные и композиционные системы, описывается в рамках физико-химической механики дисперсных структур [1, 2, 5, 6]. Технологические свойства глин и формируемого из них сырца определяются взаимопревращениями коагуляционных и конденсационных структур, а свойства керамики — образующимися при обжиге кристаллизационными образованиями [1, 5]. В нашем случае предполагается различие в механизме формирования оптимальной коагуляционно-кристаллизационной структуры сырца при переходе от пластичного формования к полусухому и закрепленной при обжиге. Кроме того, формированию кристаллизационной структуры при обжиге способствует повышенное содержание кварца в глине. Удовлетворительная прочность материала достигается при температуре около 1000оС.
Проведенные исследования показали хорошие перспективы использования новониколаевского суглинка и золы ТЭС для получения строительной керамики. Современные технологии производства строительной керамики могут обеспечить высокое качество изделий из отходов и местного низкосортного сырья.
Список литературы
- Сайбулатов С.Ж. Ресурсосберегающая технология керамического кирпича на основе зол ТЭС. М.: Стройиздат. 1990. 248 с.
- Семин М.А., Джумагулов С.Д. Золы и шлаки ТЭС — ценное минеральное сырье для силикатной отрасли // Стекло и керамика. 2003. № 8. С. 22-23.
- Исследование сырья Подгорен-ского кирпичного завода на пригодность для производства кирпича методом полусухого прессования с пластической переработкой массы / Отчет о научно-исследовательской работе. ВНИИстром им. П.П. Будникова. 1985. 87 с.
- Разработать способы повышения качества изделий полусухого прессования путем обработки пресс-порошка различными химически активными веществами / Отчет о научно-исследовательской работе. ВНИИстром им. П.П. Будникова. 1984. 38 с.
- Женжурист И.А. Об особенностях формирования керамического черепка из пресс-порошков пылеватого суглинка // Строит. материалы. 2000. № 6. С. 26-28.
- Стороженко Г.И., Завадский В.Ф. Технология производства и сравнительный анализ пресс-порошков для строительной керамики и механоактивированного сырья // Строит. материалы. 1998. № 12. С. 6.
Статья взята из журнала «Строительные материалы»
