CC BY
106
УДК 691.3 Г.И. Горбунов
ОЦЕНКА ПРИГОДНОСТИ ОТХОДОВ ОБРАБОТКИ ПРИРОДНОГО КАМНЯ И СТЕКЛОБОЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНИТОКЕРАМИКИ
Проведен анализ технологий грани-токерамики — эффективного фасадного керамического материала, обладающего прекрасными декоративными и прочностными показателями, а также высокой эксплуатационной стойкостью в различных климатических условиях. Приведены результаты исследований по выбору и оценке пригодности сырьевых материалов: гранитного порошка, стеклобоя, глины. Выявлен оптимальный состав системы гранитный порошок — стеклобой — глина при температуре омоноличивания 1050 °С: гранитный порошок — 40 %, стеклобой — 40 %, глина — 20 % (по массе).
Ключевые слова: гранитокерамика,
стеклобой, природный камень, водопогло-щение, структура.
UDK 691.3 G.I. Gorbunov
ACCEPTABILITY APPRAISAL
OF SWARF OF NATURAL STONE AND CULLET FOR GRANITE CERAMIC PRODUCTION
The analysis of granite ceramic technologies, effective facade ceramic material having good decorative and strength characteristics, and high service durability in a variety of climatic conditions, is carried. Research data on the selection and acceptability appraisal of raw materials: granite powder, cul-let, clay — are given. The system tailored composition granite powder — cullet — clay at a joint grouting temperature of 1050 °C: granite powder — 40 %, cullet — 40 %, clay — 20 % (by weight) is found.
Key words: granite ceramic, cullet, natural stone, water absorption, structure.
Технологию гранитокерамики уже давно освоили керамические предприятия Италии, Испании, Чехии, Турции. В России производство такого материала находится в стадии разработки.
По многим техническим характеристикам гранитокерамика не уступает природному камню, а по цветовой гамме, разнообразию форм и размеров, а также по особенностям монтажа превосходит и повсеместно вытесняет его.
Прочностные показатели гранитокерамики обусловливаются высокой плотностью материала и строением кристаллической решетки составляющих ее минералов. Пористость и водопоглощение таких композиции меньше 0,5 %, т.е. практически не отличаются от плотности изверженных горных пород. Прочность структуры достигается за счет омоноличивания отдельных ее элементов, которая также сопоставима с прочностными показателями природных каменных материалов из изверженных горных пород.
Установлено, что путем спекания можно получить плотную структуру, свойственную природным каменным материалам, таким как гранит, габбро, базальт и др. Известно, что подобную структуру с водопоглощением менее 0,5 % имеет черепок фарфора. Однако технология фарфора сложна и очень дорога.
Плиточная технология менее затратна, так как здесь температура обжига ниже, но плитка имеет показатели, значительно уступающие фарфору (водопоглощение черепка напольной плитки 1,5...4 %). Плотность структуры плитки формируется за счет рационально подобранного состава, уплотнения масс при прессовании и последующего обжига до спекания с образованием прочной кристаллической структуры.
Технология плавленых строительных материалов повторяет процесс структурообразования природного камня. Высокие плотность и прочность, а также нулевое водопоглощение в данном случае достигаются за счет образования однородной крупнокристаллической структуры из расплава.
Технология стеклокристаллических материалов (ситаллов), отличается от технологии каменного литья и плавленых огнеупоров особым режимом охлаждения расплава, в результате которого сначала образуется стекло, а затем путем направленной кристаллизации достигается требуемая гомогенная стеклокристаллическая структура.
Главное отличие ситалловой структуры от других стеклокристаллических структур (например, фарфоровой) заключается в отсутствии ярко выраженной границы раздела фаз, кристаллической и стекловидной, так как кристаллы зарождаются и растут из стекловидной матрицы. Этим объясняются высокие упруго-деформативные и термомеханические, а также прочностные показатели при относительно низкой плотности структуры.
Учитывая вышеизложенное, а также некоторые технологические и экономические аспекты создания плотной стеклокристаллической структуры, наиболее рациональной в настоящее время представляется такая технология гранитокерамики, которая включала бы элементы прессовой технологии керамической плитки, омоноличивание при обжиге до спекания тугоплавких и оплавления легкоплавких компонентов с последующим отжигом и направленной кристаллизацией стекловидной фазы.
Главным условием выбора и оценки пригодности сырьевых материалов для получения гранитокерамики является низкотемпературный обжиг (до 1200 °С), что связано с возможностями оборудования промышленности строительной керамики.
В качестве основного сырья для получения гранитокерамики предполагается использовать отходы обработки природного камня кислых и средних горных пород, стеклобой и тугоплавкие глины.
Наиболее пригодным для этого видом отходов обработки природного камня является шлам. Он представляет собой мелкодисперсные отходы камня размерами менее 0,5 мм и удельной поверхностью 2000...10000 см2/г, образующиеся в результате осуществления процессов резания и шлифования при обработке камня.
Хотя доля шламов в суммарном объеме потерь сырья камнедобычи и камнеобработки не так велика, они являются наиболее активными и экологически вредными отходами камнеобрабатывающих предприятий, а уровень их утилизации крайне низок.
Прежде всего, речь идет о тонкодисперсном, не требующем измельчения шламе силикатного состава, являющемся отходом обработки горных пород группы гранитов (гранита, сиенита, диабаза, габбро, лабрадорита). Эти породы содержат в своем составе минералы (кварц, полевые шпаты и др.), применяющиеся в технологии отделочной керамики в качестве отощи-телей, плавней и т.п. А поскольку шлам представляет собой суспензию силикатных отходов в воде, это позволяет облегчить процесс его гомогенизации при смешивании с другими сырьевыми компонентами.
Необходимо отметить роль, которую будут играть отходы обработки природного камня. На стадии формования и сушки — это отощители для глиняной составляющей композиции, а на стадии обжига, являясь основным структурообразующим компонентом, они регулируют огневую усадку и долю жидкой фазы.
В работе в качестве тонкодисперсных отходов камнеобработки использовали специально подготовленный гранитный порошок. Исходя из необходимости получения плотной структуры использовали трехфракционный состав порошка: крупная фракция (0,5.. .0,1 мм) — 60...65 %; средняя фракция (0,1...0,05 мм) — 25.30 % и мелкая фракция (0,05.0,01 мм) — 10 %. Минералогический состав порошка: кварц — 25.30 %, полевые шпаты — 65.70 %, слюда — менее 3 %.
Необходимость использования стеклобоя связана с решением нескольких технологических задач, а именно — обеспечения необходимых условий формования, сокращения усадки при сушке, снижения температуры спекания и формирования требуемой стеклокристаллической структуры при обжиге. Для этого использовали бой тарного, оконного и кинескопного стекол.
Оценка пригодности стекольного компонента заключалась в определении химического состава, температуры начала размягчения, интервала размягчения, вязкости, растворимости, кристаллизационной способности, а также плотности, твердости и температуры омоноличивания стекольной композиции. Результаты испытаний приведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные физико-химические свойства стекольных композиций
Условный код и молекулярная формула стекольной композиции Т ор °1 Вязкость, Пас, при Т, °С Рас- тво- ри- мость, усл. ед Кри- сталли- заци- онная способ- соб- ность Плот- ность, г/см3 Твер- дость Истира- емость, см3/мин
800 1100
Ст-1 2,58Ю20,5№2ОО,5СаО 830 105 17 4 Низкая 2,5 5,25 0,8
Ст-2 2,58Ю2 0,47Ыа2О0,53СаО 845 105 17 3 Низкая 2,58 5,5 0,9
СТ-3-э 8і02 0,5№20 0,3ва0 1010 — 180 5 Отсут- ствует 2,8 6,0 0,95
Ст-3-к 3БЮ2 0,5Ка2О-РЬО 760 104 80 1,5 Отсут- ствует 2,9 6,5 1,0
Ст-3-т 3 БЮ2 0,5№20- РЬО 720 104 80 1 Отсут- ствует 3,1 6,5 1,5
Ст-1 — тарное стекло; Ст-2 — оконное стекло; Ст-3-э — кинескопное стекло (экран); Ст-3-к — кинескопное стекло (конус); Ст-3т — (тубус).
Анализ свойств стекольных композиций позволяет сделать вывод, что наиболее пригодными для получения требуемой стеклокристаллической структуры является бой кинескопного стекла типа Ст-3т и Ст-3к.
Роль глины — основополагающая, так как, обладая двумя необходимыми свойствами (пластичностью и спекаемостью), она исполняет роль связки на стадиях формования и омоноличивания.
Выбор глины определялся по нижеперечисленным требованиям, т.е. пластичностью и спекаемостью, а также химическим составом, в основном наличием в достаточном количестве А2О3 (глинозема). Химический состав глин представлен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав глин
Глины бю2 А1Л РеА) СаО MgО К2О Ыа2О ТіО2 П.П.П.*
Латненская I 61,01 25,52 1,00 0,39 0,29 0,37 0,36 1,71 9,79
Гжельская 57,42 18,11 6,98 1,73 1,99 5,87 0,19 0,79 6,75
Алексеевская 53,04 10,76 4,7 8,75 4,32 2,25 1,04 0,72 11,81
* Потери при прокаливании.
НСО. 2011. № 1. http://www.nso-iournal.ru 3
Пластичность и связующая способность глин, зависящие в основном от наличия в них глинистых минералов, позволяют обеспечить формование при минимальном ее количестве в шихте и необходимую структурную прочность до и после сушки. Однако при обжиге пластичные глины способствуют образованию жидкой фазы и уменьшению содержания кристаллической составляющей черепка.
Спекаемость, т.е. способность глин омоноличиваться при обжиге, как правило, также зависит от пластичности глины. Пластичные глины хорошо спекаются благодаря наличию в них глинистых минералов.
В работе опробовались латненская I, гжельская, алексеевская, а также кондровская и тропаревская глины. В результате испытаний установлено, что для стадии формования (прессования) предпочтение, за счет достаточной пластичности и связующей способности, отдается гжельской и алексеевской глинам. А для стадии выдержки перед сушкой и перед обжигом — гжельской, так как она наилучшим образом обеспечивает структурную прочность полуфабриката (коржа), а для стадии обжига более прочный черепок за счет высокой спекаемости дает латненская глина.
В результате испытаний выявлен оптимальный состав системы гранитный порошок — стеклобой — глина при температуре омоноличивания 1050 °С: гранитный порошок — 40 %, стеклобой — 40 %, глина — 20 % (по массе). Таким образом, рассмотрение структуры гранитокерамики относительно использования отходов позволяет сделать следующие выводы:
отходы обработки природного камня в значительном количестве (более 50 % по массе) являются структурообразующим элементом черепка, определяющим его термические и физико-механические свойства;
отходы стекольных производств и стеклобоя в значительных количествах (до 40 %) изменяют фазовый состав, уменьшая кристаллическую и газовую составляющую, а также химическую и термодинамическую устойчивость системы;
омоноличивание системы кремнеземистых компонентов, глины и стеклобоя за счет спекания глины и размягчения стекла, а также диффузии стекла на границе кристалл — стекло обеспечивает получение стеклокристаллической системы, удовлетворяющей требованиям фасадных керамических материалов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Горбунов Г.И., Катков А.Л. Получение отделочных керамических материалов с использованием отходов обработки природного камня // Строительство — формирование среды и жизнедеятельности : сб. тр. М. : МГСУ, 2001.
2. Румянцев Б.М., Зайцева Е.И. Утилизация стеклобоя при получении строительных материалов // Академические чтения по строительному материаловедению : сб. тр. Белгород : БелГТАСМ, 2001.
REFERENCES
1. Gorbunov G.I., Katkov A.L. Stroitelstvo — formirovaniye sredy i zhiznedeyatelnosti : sb. tr. [Construction — environment and life development : collection of papers]. Moscow, 2001.
2. Rumyantsev B.M., Zaitsev Ye.I. Akademicheskiye chteniya po stroitelnomu matepi-alovedeniyu : sb. tr. [Academic readings on materials and components science]. Belgorod, 2001.
Поступила в редакцию в мае 2011 г.
Об авторе: Горбунов Герман Иванович, доцент, кандидат технических наук, профессор кафедры технологии отделочных и изоляционных материалов, МГСУ, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected]
About author: Gorbunov German Ivanovich, Professor of finish and insulating materials technology department, Associate Professor, Candidate of Technical Science, Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoye Freeway, 129337, Moscow, Russia, [email protected]
