пїњ

Ё‘‘≈ “»¬Ќќ—“№ »—ѕќЋ№«ќ¬јЌ»я  ¬ј–÷—ќƒ≈–∆јў»’ “≈’Ќќ√≈ЌЌџ’ ѕ–ќƒ” “ќ¬ ƒЋя ѕ–ќ»«¬ќƒ—“¬ј  ≈–јћ»„≈— »’ —“–ќ»“≈Ћ№Ќџ’ ћј“≈–»јЋќ¬

”ƒ  620.22:621.763, 05.16.06
Ё‘‘≈ “»¬Ќќ—“№ »—ѕќЋ№«ќ¬јЌ»я  ¬ј–÷—ќƒ≈–∆јў»’ “≈’Ќќ√≈ЌЌџ’ ѕ–ќƒ” “ќ¬ ƒЋя ѕ–ќ»«¬ќƒ—“¬ј  ≈–јћ»„≈— »’
—“–ќ»“≈Ћ№Ќџ’ ћј“≈–»јЋќ¬
≈ромасов –.√., Ќикифорова Ё.ћ., —тупко “.¬.,  равцова ≈.ƒ., —пектор ё.≈.
‘√јќ” ¬ѕќ Ђ—ибирский федеральный университетї,  расно€рск, e-mail: kmp198@inbox.ru;
‘√Ѕќ” ¬ѕќ Ђ расно€рский государственный аграрный университетї,
 расно€рск, e-mail: info@kgau.ru
¬ современных услови€х расшир€етс€ применение разнородных, в том числе и грубозернистых отходов промышленности в массах дл€ изготовлени€ строительной керамики. ќбычно эти виды сырь€ используютс€ в смеси с глинами и глиносодержащими породами, которые €вл€ютс€ св€зкой между частицами и зернами непластичных компонентов, образу€ оболочки вокруг них. ¬ статье представлены результаты исследований по утилизации техногенных кварцсодержащих отходов в технологии облицовочной керамики.
¬ качестве отходов рассмотрены горела€ формовочна€ земл€ и кварц-полевошпатовый Ђсорскийї песок. ќсновным химическим компонентом данных отходов €вл€етс€ свободный кремнезем SiO2, содержание которого в горелой земле и сорских Ђхвостахї составл€ет до 90-65 масс. % соответственно. –азработаны составы керамических масс, содержащие от 10 до 60 масс % кварцсодержащих отходов. ќбожженные готовые издели€ обладают высокими физико-механическими характеристиками и малыми показател€ми усадки после спекани€. ѕредставлена модель композиционного керамического материала с наиболее плотной упаковкой за счет оптимизации кварцевого скелета на основе техногенных продуктов.
 лючевые слова: горелые формовочные земли, Ђхвостыї обогащени€, молибденовые руды, керамическа€ масса, фракци€, оптимизаци€, симплекс
EFFICIENCY OF APPLICATION OF MAN-MADE QUARTZ-BEARING PRODUCTS FOR THE MANUFACTURE OF CERAMIC BUILDING MATERIALS Eromasov R.G., Nikiforova E.M., Stupko T.V., Kravtsova E.D., Spektor Y.E.
Siberian Federal University, Krasnoyarsk, e-mail: kmp198@inbox.ru;
Krasnoyarsk State Agricultural University, Krasnoyarsk, e-mail: info@kgau.ru
In modern conditions, expanding the use of different, including coarse-grained waste industry in the masses for the manufacture of building ceramics. Usually these types of raw materials are used in a mixture with clay and clay-containing rocks, which are the link between the particles and grains of non-plastics components, forming a shell around them. The work contains the results of study utilization of man-made quartz-bearing waste in the ceramic technology. Considered as waste land burnt molding and quartz-feldspar ЂSoraї sand. The main chemical component of the waste is free silica SiO2, content in the burning ground and ЂSoraї Ђtailsї, up to 90-65 wt. %, respectively. Developed ceramic material compositions containing from 10 to 60 wt. % quartz-bearing waste. Burned finished products have high physical and mechanical properties and low shrinkage after sintering. The model of the composite ceramic material with the densest packing by optimizing silica skeleton based on man-made products.
Keywords: molding burnt land Ђtailsї of enrichment, molybdenum ore, ceramic mass, fraction, optimization, simplex
—уществующа€ технологи€ керамических строительных материалов, примен€емых дл€ внутренней и наружной отделки зданий и сооружений, базируетс€ в значительной мере на использовании качественного привозного сырь€, истощенного к насто€щему времени в значительной мере.
ѕредставленные экспериментальные исследовани€ направлены на достижение наиплотнейшей упаковки фракций (зерен) в прессовке и готовом изделии. ћногочисленными исследовани€ми предложены теоретические и расчетные методы нахождени€ плотной упаковки монодисперсных и полидисперсных частиц, используемых в технологии строительных материалов. ¬ частности, распространенным подходом €вл€етс€ моделирование их структуры с помощью системы твердых сфер. ¬ рамках такой модели задача нахождени€ состава заполнител€ композиционного материала,
обладающего наибольшей плотностью, сводитс€ к задаче о плотной пространственной упаковке сферических частиц [5, 6, 7].
¬ св€зи с тем, что используемые в работе порошки промышленных отходов не имеют сферической формы, не представл€етс€ возможным выполнить теоретические расчеты по услови€м достижени€ наиплотнейшей упаковки и, как следствие, выбор количества отдельных фракций и размеров зерен с целью направленного регулировани€ плотности упаковки определ€ли экспериментальным путем.
÷елью работы €вл€етс€ разработка составов керамических масс с максимальным содержанием кремнеземистых отходов, а также оптимизаци€ фракционного состава отходов с достижением наиболее плотной упаковки керамической шихты на стадии полусухого прессовани€, обеспечивающей высокие физико-технические свойства готовой продукции.
ћатериалы и методы исследований
ћинералогический состав сырьевых материалов и спеченных масс определен на основе данных рентгеноструктурного анализа, проведенного на дифрактометре фирмы 8џшаЄ2и ’ Ё-6000. “ермографический анализ выполнен на дериватографе фирмы Ує≤2с»Ф. ѕодготовку и измельчение исходных сырьевых материалов осуществл€ли на щековой дробилке ўƒ-6 и кольцевой мельнице  ќ— №ЋЅ8. ‘ракционирование сырьевых материалов проведено на ситовом анализаторе ¬ѕ“ 220. ќптимизацию гранулометрического состава проводили с использованием метода симплекс-решетчатого плана Ўеффе, обеспечивающего равномерный разброс экспериментальных данных.
Ёкспериментальные исследовани€ выполнены на тугоплавкой глине  омпановского месторождени€  расно€рского кра€. ‘азовый анализ глины  омпановского месторождени€ свидетельствует о наличии в глинистой породе глинистых компонентов в виде каолинита и мусковита. јкцессорные минералы представлены в основном кварцем и рутилом. ‘азовый анализ сорских Ђхвостовї свидетельствует о наличии в отходе, преимущественно, свободного кварца, а также рутила, поташа и мусковита. ¬ качестве полевошпатовых минералов присутствует ортоклаз и альбит. јнализ дифрактограм-мы горелой земли свидетельствует о наличии в отходе в основном кварца и брусита. “акже присутствуют минералы калсилита, рутила и кристобалита.
’имический состав отходов и глинистого компонента представлен в табл. 1.
“аблица 1
’имический состав сырьевых материалов, масс. %
ћатериал —одержание
^≤ќ2св Ћ12ќ3 + “≤∞2 —аќ + џ€∞ √е2ќ3 + √еќ  2ќ + є2ќ ^ќ3 —≤ п.п.п
√лина компановска€ 4,64 18,03 2,45 3,53 1,55 0,03 62,16 -
—теклобой - 2,34 10,26 0,18 29,28 0,19 71,45 -
—орские Ђхвостыї 62,05 16,52 6,73 4,18 8,12 - - -
√орела€ земл€ 79,17 4,86 4,56 11,14 2,47 0,16 - 2,55
√ранулометрический состав кварцсодержащих отходов представлен на рис. 1.
–ис. 1. √истограмма гранулометрического состава кварцсодержащих отходов
ѕревалирующей фракцией в кварцсодержащих отходах €вл€ютс€ частицы с размером от 0,315 + 0,08 мм.
–езультаты исследований и их обсуждение
ќсновной целью исследований €вл€лось решение задачи максимального использовани€ отходов в керамической шихте без дополнительной переработки. ѕри этом учитывалось, что грубые кварцсодержащие массы со значительным содержанием свободного 8ё2 плохо прессуютс€ и практически не спекаютс€ в процессе обжига. »х использование в керамических массах воз-
можно лишь в совокупности с глиносодержащими породами и специальными ком -плексными добавками (плавн€ми), которые выполн€ют роль технологической св€зки на стадии полусухого прессовани€ и образуют значительное количество жидкой фазы при спекании. ¬ качестве плавн€ использовали стеклобой. ѕод вли€нием плавн€ (стеклобо€) за счет вовлечени€ легкоплавких минералов (альбита и ортоклаза в кварц-полевошпатовом сорском песке) усиливаетс€ образование расплава. ¬ этом процессе активное участие, кроме того, принимают кварц и глинистое вещество шихты. »нтенсивное образование расплава сопровождаетс€ улучшением спекани€ керамики и формированием новых кристаллических фаз.
»сследование физико-технических
свойств сформованных и обожженных керамических материалов проводили на образцах с содержанием отходов от 0 до 60 масс. %. —остав технологической св€зки соответствовал 50 масс. % глины компа-новской и 50 масс. % стеклобо€. Ќа фиксированном уровне поддерживали температуру обжига (950 ∞—), относительную влажность формовни€ (10 масс %), врем€ изотермической выдержки (60 мин) и фракционный состав шихты: (кварцсодержащие отходы фр. -0,315 + 0,08 мм; глина и стеклобой фр. - 0,056 мм).
’арактер изменени€ важнейших физико-механических характеристик облицовочной керамики в зависимости от содержани€ отходов представлен в табл. 2 и 3.
“аблица 2
‘изико-механические свойства обожженных образцов с использованием горелой формовочной земли
Ќомер опыта  оличество отходов, масс. %  ажуща€с€ плотность, г/см3 ¬одопоглощение, % ѕрочность на сжатие, ћѕа
1 0 2,16 1,94 35,71
2 10 2,13 2,06 48,83
3 20 2,06 3,47 71,13
4 30 2,00 3,74 68,29
5 40 2,01 4,6 52,37
6 50 1,96 6,06 48,22
7 60 1,94 6,97 37,06
“аблица 3
‘изико-механические свойства обожженных образцов с использованием кварц-полевошпатового сорского песка
Ќомер опыта  оличество отходов, масс. %  ажуща€с€ плотность, г/см3 ¬одопоглощение, % ѕрочность на сжатие, ћѕа
1 0 2,16 1,94 35,71
2 10 2,075 3,17 53,79
3 20 2,08 4,75 76,25
4 30 2,055 5,96 70,1
5 40 2,05 7,52 61,54
6 50 2,05 7,69 56,04
7 60 1,92 8,36 41,25
ћодель разработанного облицовочного керамического материала может быть представлена как композиционна€. ¬ качестве матрицы композиционного материала выступает глинистый компонент, стеклобой и плавнеобразующие компоненты отходов. ƒисперсно-упрочн€ющим компонентом
€вл€етс€ кварц, формирующий кварцевый упрочн€ющий скелет. »сточником кварца в композиционном материале €вл€ютс€ выбранные дл€ исследований высококварцевые отходы, а также крупнозернистые кварцевые включени€ глинистого компонента.
√лина и стеклобой представл€ют собой технологическую св€зку на стадии формировани€ как коагул€ционных, так и кондин-сационно-кристаллизационных структур
керамического черепка. ¬ процессе обжига глина и стеклобой образуют жидкую фазу, за счет которой происходит процесс жидкофазного спекани€ со значительной усадкой. ”меньшение количества св€зки в керамической шихте приводит к тому, что пространство между крупными частицами отходов не заполнено и количество образующейс€ жидкой фазы недостаточно дл€ образовани€ плотной керамической структуры с высокими физико-техническими характеристиками, что фиксируетс€ по снижению прочности образцов с увеличением количества отходов.
«начительное увеличение количества отходов в шихте приводит к образованию
контактов между частицами и формированию не раздвинутого каркаса.  варцевый скелет вовлекаетс€ в процесс спекани€ за счет образовани€ на поверхности кварцевых частиц тонких реакционных кварцевых прослоек и механизм спекани€ можно рассматривать как жидкофазный - твердофазный. Ёто также приводит к уменьшению огневой усадки образцов. «ависимость усадки керамического материала в процессе обжига представлена на рис. 2. Ќаличие скелета из крупных зерен кварца позвол€ет получать облицовочные материалы с незначительными объемными изменени€ми при обжиге и св€занными с этим малыми внутренними напр€жени€ми и деформаци€ми.
–ис. 2. «ависимость огневой усадки керамического образца от содержани€ и вида отходов: р€д 1 - горела€ формовочна€ земл€; р€д 2 - Ђсорскийї песок
«начительное вли€ние на физико-механические свойства спеченных материалов оказывает гранулометрический состав кварцсодержащих отходов, вход€щих в состав керамической шихты.
ѕринцип достижени€ наиплотнейшей упаковки высококремнеземистых облицовочных масс базировалс€ на достижении строго определенных соотношений отдельных фракций и размеров исходного зерна. ¬ работе реализовывалс€ принцип подбора так называемой Ђпрерывнойї укладки, при которой между зернами заданных фракций зерна промежуточных размеров отсутствуют [3, 4]. ¬ соответствии с представлени€ми, зерна самой крупной фракции образуют скелет, пустоты которого заполн€ютс€ следующей фракцией. Ќовые пустоты могут заполн€тьс€ третьей фракцией и т.д. (размер мелкой фракции должен быть не менее чем в 5-10 раз меньше размера крупной фракции).
»деализиру€ представление о шарообразной форме частиц, рассмотрим раз-
личные варианты их укладки. Ќа рис. 3,а изображена разработанна€ модель упаковки двухфракционной системы: отход фр. (-0,3≤5 + 0,08 мм) - глина, стеклобой, фр. (-0,056 мм и менее). »з рисунка видно, что реализуетс€ принцип наиболее плотной упаковки, зерна мелкой фракции заполн€ют пустоты между зернами более крупной фракции. Ќа рис. 3,б изображена модель упаковки двухфракционной системы: отход фр. (-0,08 + 0,056 мм) -глина, стеклобой фр. (-0,056 мм и менее). ѕринцип наиболее плотной упаковки реализуетс€ в меньшей степени. Ќа рис. 3,в - модель упаковки однофракционной системы: отход - глина,стеклобой, т.к. все составл€ющие имеют размер фракции -0,056 и менее, при этом принцип наиболее плотной упаковки не выполн€етс€. –ис. 3,г демонстрирует наибольший эффект уплотнени€ с использованием трехфракционной системы с Ђпрерывнойї укладкой.
–ис. 3. ћодель упаковки структуры: ќ - отход; - глина; ќ - стеклобой
в
г
ќптимизацию фракционного состава проводили на фиксированном составе шихты (масс, %), соответствующем соотношению компонентов: глина - 20; кварцсодержащие отходы - 55; стеклобой - 25. ƒл€ оптимизации фракционного состава горелой земли и сорских Ђхвостовї реализован симплекс-решетчатый план третье-
го пор€дка дл€ трехкомпонентной смеси. »сследованы следующие факторы: содержание фракции. -0,315 + 0,08 мм (х;); содержание фракции -0,08 + 0,056 мм (х2); содержание фракции менее -0,056 мм (х3). Ќа фиксированном уровне поддерживали температуру обжига (950 ∞—), относительную влажность формова€ (10 масс, %),
врем€ изотермической выдержки (60 мин) и размер фракций глины и стеклобо€ (-0,056 мм). ¬ качестве параметров оптимизации фракционного состава выбрали показатели, характеризующие керамическую шихту как дисперсную систему: насыпна€ плотность, плотность утр€ски и коэффициент упаковки  ^ [1, 2].
¬ качестве параметров, характеризующих конденсационно-кристаллизационную
структуру керамики по разработанной модели, выбрали: прочность сформованных и высушенных образцов, водопоглощение, кажущуюс€ плотность и прочность на сжатие спеченных образцов.
–езультаты исследовани€ вли€ни€ фракционного состава кварцсодержащих отходов на конденсационно-кристаллизационные свойства обожженных керамических материалов представлены на рис. 4 и 5.
–ис. 4. ѕроекции линий равной прочности сухих необожженных образцов на основе горелой земли (а) и сорских Ђхвостовї на трехкомпонентный симплекс
–ис. 5. ѕроекции линий равной прочности обожженных образцов шихты на основе горелой земли (а) и сорских Ђхвостовї на трехкомпонентный симплекс
ћаксимальные значени€ прочности дл€ сухих необожженных образцов достигаютс€ при использовании монофракции кварцсодержащих отходов х; = -0,315 + 0,08 мм -100 масс. %, а также двухфракционной системы х; = -0,315 + 0,08 мм 65-98 масс. % и х. =-0,08 + 0,056 мм 2-35 масс. %.
јнализ данных рис. 5 свидетельствует, что диапазон достигнутой прочности обожженных образцов шихты на основе горелой земли составл€ет от 32 до 48 ћѕа, а дл€ сорских Ђхвостовї от 40 до 55 ћѕа. ѕри этом достижение максимальных значений прочности происходит при исполь-
зовании как крупной монофракции горелой земли, так и двухфракционной системы -0,315 + 0,08 мм - 70-80 масс. % и фракции -0,056 мм - 20-30 масс. %.
«аключение
¬ результате проведенных исследований разработаны составы керамических масс, позвол€ющие получать керамические материалы, содержащие от 10 до 50 масс, % и более кварцсодержащих отходов с высокими физико-техническими характеристиками и малыми показател€ми усадки после спекани€. ѕредставлена модель композиционного керамического материала с наиболее плотной упаковкой за счет оптимизации кварцевого скелета на основе техногенных продуктов.
—писок литературы
1. ≈ромасов –.√., Ќикифорова Ё.ћ. ѕрогнозирование свойств облицовочной строительной керамики на базе промышленных отходов // ∆урнал —ибирского федерального университета. —ери€ техника и технологии. - 2011. -є 5. - —. 547-556.
2. ѕовышение плотности упаковки керамических масс на основе кремнеземистых техногенных продуктов / –.√. ≈ромасов, Ё.ћ. Ќикифорова, ћ.Ќ. ¬асильева, ¬.ё. “аскин // —овременные проблемы науки и образовани€. - 2011. -є 6. - ия№: www.science-education.ru/100-5148.
3.  ондратенко ¬.ј.  ерамические стеновые материалы: оптимизаци€ их физико-технических свойств и технологических параметров производства. - ћ.:  омпозит, 2005. -512 с.
4.  ондратенко ¬.ј., ѕешков ¬.Ќ., —леднев ƒ.¬. ќпределение оптимальных параметров формовани€ сырца при полусухом способе прессовани€ // —троительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2006. - є 1.
5. Ћоктев ». ». ќ моделировании некоторых технологических свойств дисперсионных материалов // »звести€ “омского политехнического университета. - 2005. -“ 308. - є 6. - —. 85-88 с.
6.  оролев Ћ.¬., Ћупанов ј.ѕ., ѕридатко ё.ћ. јнализ упаковки полидисперсных частиц в композитных строи-
тельных материалах // —овременные проблемы науки и образовани€. - 2007. - є 6 - —. 105-108.
7.  оролев Ћ.¬., Ћупанов ј.ѕ., ѕридатко ё.ћ. ѕлотна€ упаковка полидисперсных частиц в композитных строительных материалах // —овременные проблемы науки и образовани€. - 2007. - є 6. - —. 109-114.
References
1. Eromasov R.G., Nikiforova E.M. Forecasting properties of facing construction ceramics on the base of industrial wastes. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, no 5, 2011 рр. 547-556.
2. Eromasov R.G., Nikiforova E.M., Simonova N.S., Vasileva M.N., Taskin V.Yu. Increase the packing density of ceramic materials based on siliceous man-made materials // Modern problems of science and education, 2011. no. 6. URL: www. science-education.ru/100-5148.
3. Kondratenko V.A. Ceramic wall materials: optimizing their physical and technical properties and technological parameters of the production. M: Composite. 2005. 512 p.
4. Kondratenko V.A., Peshkov V.N., Slednev D.V. Determination of optimal parameters for molding adobe semidry pressing method // Construction materials, equipment, technologies of XXI century, no 1, 2006. рp. 28-30.
5. Loktev I.I. On the modeling of some technological properties of dispersion materials // Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, T. 308, no 6, 2005. рp. 85-88.
6. Korolev L.V., Lupanov A.P, Pridatko Yu.M. The analysis of polydisperse particles packing in composite building materials // Modern problems of science and education, 2007. no 6. рp. 105-108. URL: www.science-education.ru/23-734.
7. Korolev L.V., Lupanov A.P., Pridatko Yu.M. Close-packed arangement of polydisperse particles in composite building materials // Modern problems of science and education, 2007. no 6. рp. 109-114. URL: www.science-education.ru/23-741.
–ецензенты:
ћихлин ё.Ћ., д.х.н., главный научный сотрудник »нститута химии и химической технологии —ќ –јЌ, г.  расно€рск;
Ѕурмакина √.¬., д.х.н., старший научный сотрудник, главный научный сотрудник »нститута химии и химической технологии —ќ –јЌ, г.  расно€рск.
–абота поступила в редакцию 21.01.2013.

пїњ