УДК 691.421.24

Влияние техногенных железосодержащих добавок на свойства керамики на основе пылеватового суглинка

Гинчицкий Евгений Олегович – аспирант Ижевского государственного технического университета.

Иванина Арина Андреевна – магистрант Ижевского государственного технического университета.

Аннотация: В статье рассматривается возможность использования техногенных железосодержащих добавок в производстве керамического кирпича на основе пылеватого суглинка. Использование техногенных модификаторов позволит частично решить проблему утилизации отходов и снизить нагрузку на окружающую среду. В качестве добавок использованы металлургическая пыль и металлургический шлак, химический состав которых включает не менее 50 % оксидов железа. Керамические образцы для исследований обжигались при температурах 1000 и 1100 °С. В результате исследований установлено, что вследствие снижения пластичности сырья при введении мелкодисперсных добавок происходит снижение прочности керамики. За счет содержания оксидов железа в модификаторах они могут выполнять роль окрашивающих добавок.

Ключевые слова: строительная керамика, керамический кирпич, техногенные добавки, металлургическая пыль, металлургический шлак.

Введение

При изготовлении грубодисперсной строительной керамики часто исходным сырьем являются низкосортные пылеватые и глинистые суглинки. При их применении для регулирования характеристик керамического кирпича применяют различные модифицирующие добавки. В качестве модификаторов могут быть использованы также отходы промышленности, что позволит частично решить проблему их утилизации. Согласно исследованию [1] отходы, применяемые в производстве керамических строительных материалов, можно разделить на четыре класса:

• осадки бытовых или промышленных сточных вод;
• золы тепловых электростанций, котельных, мусоросжигательных заводов и т.д.;
• неорганические отходы (отходы горно-металлургической промышленности);
• органические отходы (отходы сельского хозяйства, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности).

Часть отходов горно-металлургической промышленности содержит различные соединения железа, которые по-разному могут влиять на структуру и свойства керамики. Например, в работе [2] приведены данные, указывающие на то, что оксид железа может выполнять роль плавня в керамике в зависимости от ее состава и способствовать снижению температуры обжига изделий. В исследованиях [3, 4] также установлено, что шлак от сжигания бурого угля, имея повышенные содержания оксидов железа, кальция и ще­лочей способствует спеканию керамических материалов при от­носительно невысоких температурах обжига. Автором [5] показано, что за счет добавления в состав керамики на основе монтмориллонитовой глины железосодержащего металлургического шлака, который содержит повышенное количество оксида железа, происходит увеличение содержания стеклофазы и рост содержания первичного муллита на примесных центрах кристаллизации в виде инородной фазы (шлака).

Также анализ литературы показывает, что введение железосодержащих добавок может приводить к изменению цвета изделий. Так, в исследовании [6] показана возможность применения в керамическом производстве шлама, образующегося при очистке питьевой воды, на 70% состоящего из аморфного Fe₂O₃. Установлено, что добавка шлама до 40% от общей массы позволяет улучшить декоративные характеристики изделий, придавая им окраску коричневых оттенков.

Материалы и методы исследования

Для изготовления керамических образцов использован полиминеральный пылеватый суглинок Шабердинского месторождения (Удмуртская Республика), содержащий не более 13,5 % Al₂O₃.

В техногенных железосодержащих добавок использованы металлургическая пыль (ОАО «Ижсталь», г. Ижевск) и металлургический гранулированный шлак (ПАО «Надеждинский металлургический завод», г. Серов). Размер частиц пыли составил менее 0,08 мм. Шлак после обработки в дробилке и истирателе просеивался на сите с размером ячеек 0,5 мм. Химический состав добавок представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав добавок.

Керамические образцы в форме кубиков 20х20х20 мм для испытаний изготавливали методом пластического формования из шихты с формовочной влажностью 25-27 %. После высушивания образцов до постоянной массы их обжигали при температурах 1000-1100 °С в печи муфельной НП 30/1300 с изотермической выдержкой в течение часа, скорость подъема температуры при обжиге 6 °С/мин.

Определение прочностных характеристик исследуемых составов проводилось на лабораторном прессе ПГМ-100МГ4 не менее чем для шести образцов из серии. Фотографирование макроструктуры выполнено с помощью цифрового микроскопа Levenhuk DTX.

Результаты исследования и их обсуждение

Для изучения воздействия добавок на прочностные характеристики керамики определен предел прочности на сжатие для каждого состава после обжига при 1000 °С, результаты испытаний приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость прочностных характеристик керамики от содержания добавок.

Установлено, что оптимальное содержание добавок (3 % металлургической пыли, 15 % металлургического шлака) могут повышать прочность керамики на основе суглинка не более, чем на 19% от значений контрольного образца. При этом, с увеличением содержания добавок вследствие снижения пластичности шихты за счет уменьшения содержания глинистых частиц прочность образцов снижается.

Также при введении железосодержащих добавок происходит изменение цвета керамики (рисунки 2 и 3). Контрольный образец имеет насыщенную «морковную» окраску (рисунок 2а). С добавкой металлургической пыли образцы становятся коричневого оттенка, степень насыщенности которого зависит от количества модификатора (рисунок 2б-г).

Рисунок 2. Зависимость цвета керамики от содержания металлургической пыли после обжига при 1000 °С: а – 0% пыли; б – 5% пыли; в – 10% пыли; г – 15% пыли.

Так как частицы шлака имеют более крупные размеры в сравнении с металлургической пылью, образцы с введением данной добавки приобретают крапчатую окраску (рисунок 3а).

Рисунок 3. Макроструктура керамики с добавки 50 % металлургического шлака при увеличении 200-крат: а – после обжига при 1000°С; б – после обжига при 1100°С.

Однако исследования макроструктуры керамики показали, что для составов со шлаком наиболее оптимальна температура обжига 1100 °С, при которой повышается спекаемость образцов (рисунок 3а). Предел прочности на сжатие также возрастает и составляет 36,4 Мпа для состава, включающего 50 % шлака.

Заключение

Установлено, что введение металлургического шлака и металлургической пыли в шихту на основе пылеватого суглинка снижает прочность керамических образцов, обжигаемых при температуре 1000 °С. Это объясняется тем, что с увеличением содержания модификатора, не обладающего свойствами пластичности и связуемости, при формовании образцов недостаточно глинистого материала, в результате чего образуется керамическая матрица с непрочной структурой.

Также выявлено, что частицы металлургического шлака и металлургической пыли могут служить окрашивающими добавками для грубодисперсной строительной керамики.

Список литературы

1. Muñoz Velasco P., Morales Ortíz M.P., MendívilGirуA., Muñoz Velasco L. Fired clay bricks manufactured by adding wastes as sustainable construction material – A review // Construction and Building Materials. 2014. V. 63. P. 97-107.
2. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики. М: Стройиздат, 1977. 272 с.
3. Абдрахимов В.З., Хасаев Г.Р., Абдрахимова Е.С. Колпаков А.В. Использование углеродсодержащих отходов топливно-энергетического комплекса в производстве керамических материалов различного назначения // Экология и промышленность России. 2013. № 9. С. 30-33.
4. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Использование шлака от сжигания угля Канско-Ачинского бассейна в производстве керамических материалов на основе межсланцевой глины // Экология и промышленность России. 2014. № 3. С. 36-38.
5. Долгий В.П., Абдрахимов В.З. Влияние железосодержащего металлургического шлака на формирование структуры керамического кирпича на основе монтмориллонитовой глины Кыштырлинского месторождения Тюменской области // Башкирский химический журнал. 2008. № 2. С. 145-148.
6. Kizinievič O., Žurauskiene R., Kizinievič V., Žurauskas R. Utilisation of sludge waste from water treatment for ceramic products // Construction and Building Materials. 2013. V. 41. P. 464-