CC BY
18Шамшуров А.В., канд. техн. наук, доц.
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ЯЧЕИСТЫЕ КВАРЦЕВЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ОБЖИГОВОГО СИНТЕЗА
RFACulnihel. ru
Установлена возможность использования кварцевых пород различных генетических типов для получения ячеистых композитов на основе обжигового синтеза, что позволяет создать качественно новые строительные материалы. Основные физико-механические показатели имеют промежуточные значения между конструкционными и теплоизоляционными строительными материалами. Научно обоснованы и экспериментально разработаны составы и энергосберегающая технология получения ячеистых кварцевых композитов на основе обжигового синтеза.
Ключевые слова: ячеистые композиты, песок, кварцитопесчанник, активные добавки, фазооб-разование, температура обжига, микроструктура, свойства.
Перспективным направлением в производстве строительных материалов является разработка принципиально новых технологий получения качественных, конкурентно способных изделий с промежуточными свойствами, между конструкционными и теплоизоляционными строительными материалами на основе широко распространенных, как известных, так и нетрадиционных видов сырья. Это обусловлено удорожанием энергоносителей и повышением требований к качеству зданий и сооружений, а также сокращением затрат на строительные работы.
Одними из таких материалов могут стать ячеистые кварцевые композиты на основе обжигового синтеза, в качестве основного компонента в которых применяются кварцевые породы различного генезиса, имеющие отличия по степени совершенства внутреннего строения [1].
Проведенными ранее исследованиями было установлено влияние генетических особен-ностей кварца на кинетику полиморфизма в ходе подъема температуры и влияние на эти процессы щелочесодержащих компонентов [2]. Так же была доказана принципиальная возможность получения теплоизоляционных материалов из трепела Брянского месторождения, состоящего в основном из аморфного кремнезема, залегающего среди отложений мезокайнозойского возраста [3].
В данной работе в качестве основного компонента применяли кварцевый песок Нижне-Ольшанского месторождения естественной крупности и молотый до Буд - 240 м2/кг и отход дробления кварцитопесчанников региона КМА. Химический состав песка и кварцитопесчанника представлен в табл. 1. В качестве активных добавок для образования ячеистой структуры применяли мел и кальцинированную соду.
Таблица 1
Материал Содержание оксидов, %
SiÜ2 Al2O3+TiO2 Fe2Ü3 CaÜ MgÜ Na2Ü п.п.п.
Песок 89-94 2,0-2,5 0,7-0,9 0,8-3,6 0,1-0,3 0,2 1,2-3,3
Отсев дробления кварцитопесчанника 93,9 1,52 0,97 0,86 1,33 0,31 1,01
Для проведения серии экспериментов по получению ячеистых кварцевых композитов на основе обжигового синтеза из кварцевых песков, готовили смеси как из исходного, так и молотого до удельной поверхности 150-200 м2/кг.
В процессе нагрева шихты, вначале реагируют присутствующие в ограниченном количестве углекислые соли натрия и кальция, начиная с 380 оС образуют двойную соль в твердом состоянии: т2СОз+СаСОз=СаШ2(СОз)2. (1) Далее при температуре 600^830 оС двойные карбонаты вступают во взаимодействие с БЮ2:
Сс^а2(СО3)2+25ИО2=Ма25ИОз+Са5ИОз+2СО2.
(2)
И при 720^ 900 оС происходят реакции образования следующих соединений:
Ш2СОз + БЮ2= Ма2ЪОз +СО2. (3.1) 2ЫаОИ+ БЮ2= т2БЮ3+И2О. (3.2) Причем гидроксиды натрия начинают реагировать с кремнеземом раньше и энергичнее соды. После завершения основных реакций силикатооб-разования, образовавшийся расплав насыщается кремнеземом, т. е. имеет место процесс стеклооб-разования.
Количество расплава в спекаемых изделиях зависит от массы вводимой щелочь содержащей добавки и от максимальной температуры и продолжительности обжига. Количество стеклофазы должно быть строго ограничено рамками жестко-устойчивого сохранения формы в процессе обжига и получения высоких физико-механических свойств у готовых изделий. Данные рентгенофазового анализа материала готовых изделий, полученных при различных температурах, представлены на рис. 1. Из данных рисунка видно, что заметное образование кристобалита в присутствии ионов щелочных металлов начинается лишь при температуре выше 1000 оС. По наличию и количеству в системе тридимита, кристаллизующегося из расплава в процессе охлаждения, можно опосредованно судить о количестве жидкой фазы при максимальной температуре обжига, которая позволяет создать замкнутую ячеистую структуру композита (рис. 2). В результате проведенной работы по исследованию составов на кварцевом песке были выявлены температурные интервалы спекания щелочесодержащих образцов на основе кварцевых песков, которые находяться в пределах от 800 до 1100 оС, хотя единичные хорошие
результаты получали и при более высокой температуре.
Рис. 1. Рентгенограммы материала, полученного с щелочесодержащей добавкой
Рис. 2. Микроструктура полученных ячеистых кварцевых композитов на основе обжигового синтеза
В зависимости от планируемых свойств изделий и состава исходных смесей достаточным граничным температурным интервалом обжига можно считать 850-1075оС с изотермической выдержкой 0,5-2 часа. В табл. 2 приведены сравнительные показатели изделий, полученных в данной работе и изделий получаемых по иностранным технологиям.
Так же были проведены исследования на составах из отходов дробления кварцитопесчан-ников, в ходе которых выявили закономерности влияния фракционного состава основного компонента и количества добавок на микростру-ктуру образцов в зависимости от температуры обжига.
Отходы дробления кварцитопесчанников в основном состоят из кварца, который по степени
кристалличности находится между
гидротермальной его разновидностью и кварцем аллювиальных отложений. В ряду полиморфных превращений в ходе подъема температуры склонен с ними к практически идентичному поведению, как в чистом виде, так и в присутствии щелочесодержащих добавок, что и предопределило возможность его применения для получения ячеистых кварцевых композитов на основе обжигового синтеза.
Исследования по определению зависимости образования ячеистой структуры от фракционного состава шихты проводили на образцах состоящих из 85 мас. % отсева дробления кварцитопесчанников и 15 мас. % щелочесодержащей добавки с фракциями основного компонента менее
0,5; 0,35; 0,25 и 0,15, которые позволили кроме образца на фракции 0,5, у которого оно установить, что начало образования ячеистой отмечалось с 800 °С. структуры отмечалось при температуре 900 °С
Таблица 2
Сравнительная характеристика изделий
Основные Пеностекло Пенобетон Разработанные
показатели изделия
Размеры, мм 200x200x120 400x300x138 250x120x65
Масса единицы, кг 1,92-2,4 4,97-16,5 0,87-2,15
Средняя плотность, кг/м3 400-500 300-1000 450-1450
Прочность при сжатии, МПа 0,69-4,41 2,0-2,5 0,7-2,8
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м • оС) 0,06-0,14 0,093-0,14 0,133-0,249
Водопоглощение, % 2-5 8-13 5-17
Пористость, % 50 до 80 30-60
Морозостойкость, циклов до 50 25-100 15,20
Температура обжига, оС 800 - 870-1150
Температура применения, оС до 400 до 400 до 600
В образцах на фракциях основного компонента 0,5 и 0,25 при температуре обжига равной 1050 °С и 1100 °С соответственно произошел неполный переход кварца в стеклофазу с образованием ячеек диаметром от 0,5 до 1,5 мм и толщиной межпоровых перегородок от 0,25 до 1,1 мм. В образцах на фракциях основного компонента 0,35 и 0,15 при температуре обжига равной 1100 °С произошел полный переход частиц кварца в стеклофазу с образованием ячеек диаметром от 0,3 до 2,1 мм.
Проведенные исследования так же позволили определить влияние сочетания различного количества добавок на процессы образования ячеистой структуры, состоящих из 80 мас. % отсева дробления кварцитопесчанника, 15 или 10 мас. % щелочесодержащей добавки, 5 или 10 мас. % мела. В образцах на фракциях основного компонента 0,25 и 0,15 в присутствии 15 % щелочесодержащей добавки и 5 % мела образование ячеек начиналось с температуры 900 °С. При температуре обжига равной 1100 °С частицы кварца полностью переходят в стеклофазу, у образца с фракцией основного компонента 0,15. Образованные в данных системах ячейки имели размер в диаметре от 2,7 до 3,3 мм с перегородками между ячейками толщиной от 0,8 до 1,1 мм. В образцах на фракциях основного компонента 0,25 и 0,15 в присутствии 10 % щелочесодержащей добавки и 10 % мела образование ячеек начиналось с 1000 °С и 1050 °С соответственно. При температуре обжига равной 1100 °С произошел полный переход кварца в стеклофазу с равномерным распределением ячеек диаметром от 0,3 до 1,5 мм у образца с фракцией основного компонента 0,15.
С учетом результатов исследований были разработаны составы и технология получения
принципиально новых качественных, конкурентно способных изделий с промежуточными свойствами, между конструкционными и теплоизоляционными строительными материалами на основе широко распространенных, кварцевых пород различного генезиса. Основные физико-механические характеристики которых позволяют рекомендовать их для использования в качестве альтернативных строительных материалов. Для реализации результатов исследований в промышленных условиях разработана технология производства ячеистых кварцевых композитов, внедрение которой может быть основано предприятиями по получению керамического кирпича [4].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шамшуров, А.В. Определение рентгенодифрак-тометрическим методом степени кристалличности кварца / Рентгенография и Кристаллохимия Минералов. // А.В. Шамшуров, В.В. Строкова: Материалы XV Международного совещания. - СПб., 2003. - С. 211-212.
2. Шамшуров, А.В. Особенности кинетики полиморфизма кварца по данным высокотемпературной рентгенографии /Кристаллогенезис и минералогия.// А. В. Шамшуров, В. М. Шамшуров, В. В. Строкова: Сб. тр. Междунар. конф. - СПб., 2001. - С. 344-345.
3. Шамшуров, А.В. Теплоизоляционные строительные материалы на основе кремнезема / Композиционные строительные материалы, теория и практика.// А.В. Шамшуров, В.В. Строкова, Т.И. Тимошенко: Сб. тр. Межд. научн.-технич. конф. - Пенза, 2001. -Ч.2. - С.91-92.
4. Шамшуров А.В. Возможности использования техногенных пород горнорудной отрасли в производстве обжиговых строительных материалов /"Топорковские чтения":// А.В. Шамшуров, В.В. Строкова.: Сб. докл. седьмой междунар. науч. конф. - Рудный: Рудненский индустриальный институт, 2006. - Том 2. - С. 28-31.
