Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

РЕГУЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЕРАМЗИТОВЫХ МАСС КОРРЕКТИРУЮЩИМИ ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫМИ ОТХОДАМИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Никифорова Э.М. 1 Еромасов Р.Г. 1 Ступко Т.В. 2 Симонова Н.С. 1 Васильева М.Н. 1
1 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
2 ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
Производство лёгких конструкционных материалов высокого качества требует создания высокопрочного и в то же время лёгкого заполнителя. Расширение спектра строительных изделий ставит задачу вовлечения всё новых сырьевых источников в процесс производства строительных материалов. Керамзитовый гравий является наиболее приемлемым материалом при условии значительного снижения насыпной плотности и одновременном повышении прочности. Для повышения вспучиваемости глинистого сырья исследован техногенный продукт: метало-масляная окалина – шлам травильных переделов металлургических производств. Степень развития молекулярных ван-дер-ваальсовых сил сцепления и количество воды (адсорбционной и гидратных оболочек) определяют структурно-механические свойства керамзитовых шихт. Установлено, что введение в глинистое сырье метало-масляной окалины сокращает потребность массы в воде, понижая нормальную формовочную влажность на 1,5–2 % в сравнении с системой глина-вода. При этом происходит снижение вязкости системы, а также наблюдается уменьшение периода истинной релаксации θ. В силу пластифицирующего действия метало-масляной окалины наблюдается увеличение пластичности φ (Рк1 / η1). Состав «глина – метало-масляная окалина – вода» позволяет получать керамзитовый гравий пониженной насыпной плотности М 450.
реологические характеристики керамзитовых масс.
органо-минеральные добавки
глина
керамзит
1. Книгина Г. И., Вершинина Э. Н., Тацки Л. Н. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей. – М.: Высшая школа, 1985. – 196 с.
2. Никифорова Э. М., Фальковская Л. Н. Роль опудривающих и корректирующих добавок в производстве керамзитового гравия повышенного качества // Эффективные строительные материалы на базе местного сырья и отходов промышленного производства. Труды. Красноярский Промстройниипроект. – Красноярск, 1989. – С. 32–39.
3. Никифорова Э. М., Фальковская Л. Н. Новые органические добавки в производстве керамзитового гравия // Эффективные строительные материалы на базе местного сырья и отходов промышленного производства. Труды. Красноярский Промстройниипроект. – Красноярск, 1991. – С. 67–71.
4. Никифорова Э. М., Фальковская Л. Н. Исследование возможности использования отходов сточных вод производства синтетических жирозаменителей в производстве керамзитового гравия // Отчет о НИР. Красноярский Промстройниипроект. Инв. №Б895481: Сб. рефератов НИР и ОКР, № 11. – Красноярск, 1991. – 38 с.
5. Онацкий С. П. Производства керамзита. – М.: Стройиздат, 1987. – 337 с.
Расширение спектра строительных изделий ставит задачу вовлечения всё новых сырьевых источников в процесс производства строительных материалов. При этом весьма актуальна задача замены кондиционных материалов на отходы производства. Использование легких бетонов в ответственных строительных конструкциях возможно только при определенной гарантии их прочности и высокого уровня их однородности. Свойства строительных материалов напрямую зависят от применяемых в их производстве заполнителей. Поэтому решение задачи производства высококачественных заполнителей позволит значительно повысить потребительские свойства производимых строительных материалов. Искусственные пористые заполнители играют важную роль в производстве лёгких конструкционных материалов. Создание высокопрочного и в то же время лёгкого заполнителя даёт возможность расширить область применения последнего. Керамзитовый гравий, как искусственный пористый заполнитель в легких бетонах, является наиболее приемлемым материалом, но при условии значительного снижения насыпной плотности и одновременном повышении прочности. Поведение керамических масс в технологических процессах производства керамзитового гравия зависит от особенностей их структуры.  Структурно-механические характеристики керамзитовых масс (прочность, упругость, эластичность и др.) являются критериями качества обрабатываемой керамической массы. Пользуясь деформационными характеристиками и критериями возможно направленно управлять структурой в процессе ее образования при помощи рационального составления шихт и введения эффективных добавок, вызывающих развитие катионного обмена, изменяющего процессы пептизации и коагуляционного сцепления. Правильный выбор и дозирование компонентов шихт, имеющих различные формовочные свойства, дают возможность получать керамические массы с заданными структурными и механическими свойствами. Степень развития молекулярных ван-дер-ваальсовых сил сцепления и количество воды (адсорбционной и гидратных оболочек) определяют структурно-механические свойства керамзитовых масс.

Методика исследований

Рентгенофазовый анализ сырьевых материалов проведен на дифрактометре фирмы Shimadzu XRD-6000. Термический анализ выполнен на термоанализаторе STA 449C фирмы «Netzch», со скоростью подъема температуры 10 град/мин. Изучение структурно-механических свойств опытных масс проведено по методу Вейлера–Ребиндера путем оценки пластично-вязких свойств методом продольного смещения пластинок на приборе Толстого.

Результаты исследований и их обсуждение

Технологические исследования регулирования структурно-механических свойств глинистого сырья за счет использования органических корректирующих добавок  проведены на глинистой породе Сажинского месторождения, основными глинообразующими минералами которой является монтмориллонит (d/n=1,530; 0,450; 0,255 нм), гидрослюда (d/n=0,998; 0,447; 0,256 нм), хлорит (d/n=0,710; 0,352; 0,472 нм), каолинит (d/n=0,714; 0,357; 0,148 нм) [1-5].

Глинистое сырье Сажинского месторождения – средневспучивающаяся порода, из которой в лабораторных условиях можно получить керамзит с кажущейся плотностью в куске 0,5–0,8 г/см3 и коэффициентом вспучивания 2,5–4,5, а в производственных – с насыпной полностью 350–400 кг/м3, с плотностью в куске 600–850 кг/м3 и коэффициентом вспучивания 2–3 [4]. Для повышения вспучиваемости глинистого сырья исследован техногенный продукт: метало-масляная окалина – шлам травильных переделов металлургических производств. В качестве эталонной органической добавки исследован широко используемый в производственной практике торф. Метало-масляная окалина представлена жидкостью черного цвета. Минералогически метало-масляная окалина представлена минералами: магнетитом (d/n=0,253; 0,148; 0,161 нм), вюститом (d/n=0,214; 0,151; 0,247 нм), гематитом (d/n=0,269; 0,251; 0,169 нм), α-Fe (d/n=0,203; 0,143 нм). На кривой дифференциально-термического анализа выявлен  экзотермический эффект с максимумом в 300 °С, связанный  с выгоранием органического вещества и началом процесса окисления вюстита и магнетита. В дальнейшем процесс окисления магнетита явно фиксируется при температурах 510–820 °С и 880 °С с общими потерями массы 7,51 %. В соответствии с данными таблицы 1, метало-масляная окалина соответствует большинству требований  к корректирующим добавкам.

Таблица 1

Технологические характеристики и технические требования к корректирующим добавкам

Наименование добавки и нормативные показатели свойств

 

Наименование показателей

Плотность, кг/м3

Массовая доля органического вещества, %

Массовая доля механических, в т.ч. балластных примесей, %

Массовая доля корректирующего минерального компонента в пересчете на Fe2O3 %

Массовая доля соединений серы, %

Массовая доля воды, %

 

Метало-масляная окалина (жидкие отработанные нефтепродукты-КОЖН)

8,24

0,94

83,61

1,13

90

1265

Норма

Не менее 50

Не более 10

-

Не более 5

Не более 40

-

 

Степень развития молекулярных ван-дер-ваальсовых сил сцепления и количество воды (адсорбционной и гидратных оболочек) определяют структурно-механические свойства керамзитовых шихт. Механические свойства коагуляционных структур связаны с наличием остаточных тонких прослоек водной среды между частицами глины по участкам их контакта, через которые действуют в той или иной мере ван-дер-ваальсовые силы молекулярного притяжения. Прослойки водной среды в местах контакта частиц играют роль смазочных слоев и определяют относительную подвижность элементов структуры даже при самых малых напряжениях сдвига. При этом значительное влияние на подвижность коагуляционной структуры дисперсной системы оказывает качество смазочных слоев и их толщина. Анализ результатов табл. 2 свидетельствует, что введение в глинистое сырье метало-масляной окалины сокращает потребность массы в воде,  понижая  нормальную формовочную влажность на 1,5–2 % в сравнении с системой глина-вода. Наблюдается развитие пластических свойств опытных масс системы глина метало-масляная окалина-вода (число пластичности 17) за счет ослабления сил межмолекулярного взаимодействия между частицами и, как следствие, усиления подвижности частиц относительно друг друга, понижения вязкости системы и пластической прочности масс, тем самым способствуя течению процесса экструзии керамзитовых масс через фильеры в производственных условиях.

Таблица 2

Составы шихт и  свойства сырьевых смесей

Номер массы

Состав шихты, %

Пластическая прочность, Рк·10-5

дин/см2

Влажность, %

Число пластичности

глина

торф

окалина

метало-

масляная

1

100

-

-

20,1

26,5

14

2

98

2

-

22,6

27,1

12

3

95

-

5

20,1

24,7

17

Разнообразные по размеру игольчатые частицы торфа создают с глинистыми частицами при взаимодействии с жидкой средой плотную структуру, характеризующуюся достаточно большой пластической прочностью. В силу гидрофильности частиц торфа потребность массы в воде увеличивается, при этом  пластические  свойства ухудшаются в сравнении с глиной без добавок и массой глина-металломасляная окалина.

Общеизвестно, что пластичные глины представляют собой упруго-вязко-пластичные тела, при приложении нагрузки к которым в них развиваются упругие, пластические и эластические деформации. Соотношение между величинами деформаций зависит от зернового состава твердой фазы, содержания жидкой фазы, состава обменных ионов и интенсивности механического воздействия. В соответствии с исследованиями [1], величина быстрых эластических деформаций может служить критериальной характеристикой для прогнозирования марки керамзита, получаемого из глин различного минералогического и гранулометрического составов.

Показатели упруго-вязко-пластичных свойств, определенные методом развития деформации сдвига в неразрушенных структурах с учетом оценки модуля медленной эластической деформации (Е1), модуля быстрой эластической деформации (Е2), вязкости η и условного предела текучести   Рк1 представлены в табл.3. По характеру развития деформаций – быстрой эластической ε0', медленной эластической ɛ2' и пластической ɛ1', исследуемые составы относятся к первому структурно-механическому типу (рис.1). Для них характерно развитие быстрых (ɛ0') и медленных эластических деформаций (ɛ2') с преобладанием последних и недостаточным развитием пластических деформаций (ɛ1'). Такие массы характеризуются хорошей формуемостью.

Таблица 3

Реологические характеристики керамзитовых масс

Номер массы

Структурно-механические константы

Структурно-механические характеристики

Относительные деформации

Марка керамзита прогнозная

Е1,

МПа

Е2,

МПа

Рк1 ·103,

МПа

λ

φ, с-1

θ,с

ɛ0',%

ɛ2',%

ɛ1,%'

1

3,3

2,6

1,0

0,559

2,0

438

35

44

21

500

2

2,3

2,2

0,7

0,525

1,2

507

37

39

24

500

3

4,1

3,6

1,9

0,582

4,1

417

41

47

22

450

 

По данным табл. 3 масса 3 (глина и метало-масляная окалина) характеризуется наибольшим показателем быстрых эластических деформаций в сравнении с составами 1 и 2 и на ее основе прогнозируется возможность получения керамзитового гравия  марки  по насыпной плотности 450.

Рис. 1. Структурно-механические типы глин: а – состав 1, б – состав 2, в – состав 3

С вводом метало-масляной окалины в глинистое сырье происходит снижение вязкости системы, а также наблюдается уменьшение периода истинной релаксации θ. В силу пластифицирующего действия метало-масляной окалины наблюдается увеличение пластичности φ ( Рк1 / η1). Широко применяемая в качестве корректирующего компонента добавка торфа менее эффективно воздействует на развитие быстрых эластических деформаций и улучшение пластичности. Для торфа более характерна отощающая функция в развитии деформационного процесса.

Заключение

Введение в глинистое сырье для производства керамзитового гравия  метало-масляной окалины способствует совершенствованию коагуляционных структур керамзитовых масс и  сопровождается увеличением показателя пластичности, снижением пластической прочности, развитием быстрых и медленных эластических деформаций, улучшением формуемости экструзией. Состав «глина – метало-масляная окалина – вода» позволяет получать керамзитовый гравий пониженной насыпной плотности М 450.

Рецензенты:

Фабинский П.В., д.х.н., доцент, ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск;

Кузнецов П.Н., д.х.н., профессор, Институт химии и химической технологии СО РАН,           г. Красноярск.

 


Библиографическая ссылка

Никифорова Э.М., Еромасов Р.Г., Ступко Т.В., Симонова Н.С., Васильева М.Н. РЕГУЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЕРАМЗИТОВЫХ МАСС КОРРЕКТИРУЮЩИМИ ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫМИ ОТХОДАМИ ПРОМЫШЛЕННОСТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-2. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=19942 (дата обращения: 07.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074