К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕКОНДИЦИОННОГО СЫРЬЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМИЧЕСКИХ КИРПИЧЕЙ

АННОТАЦИЯ

В условиях дефицита кондиционных глин для производства керамических кирпичей представлены результаты исследования возможности применения грунтов из дренажных каналов для производства кирпичей в Ферганской долине. Показано, что добавление до 1,5% углекислого бария в состав сырья улучшает физико-механические свойства и снижает водопоглощение изделий. Превышение этого порога приводит к ухудшению качества продукции из-за существенного роста пористости изделия. Результаты исследований подтверждают необходимость контроля химического состава и условий обжига для достижения требуемых характеристик керамических изделий.

ABSTRACT

In the context of scarce high-grade clays for ceramic brick production, this study explores the feasibility of using soils from drainage canals for brick manufacturing in the Fergana Valley. It is demonstrated that adding up to 1.5% barium carbonate to the raw material improves the physical and mechanical properties while reducing water absorption of the products. Exceeding this threshold leads to a decline in product quality due to significant increases in porosity. The research findings underscore the importance of controlling chemical composition and firing conditions to achieve the required characteristics of ceramic products.

Ключевые слова: керамика, керамический кирпич, сульфаты, углекислый барий.

Keywords: ceramics, ceramic brick, sulfates, barium carbonate.

Введение

Керамический кирпич традиционно широко применяется в Ферганской долине для возведения различных объектов благодаря его выдающимся потребительским свойствам: высокие физико-механические и теплотехнические характеристики, надежность и способность противостоять разным климатическим колебаниям. [1]

С 2018 года Узбекистан переживает масштабный строительный бум, включая Ферганскую область, где рост темпа строительства составлял 3-4% в год. К примеру, если в 2018 году было построено и введено в эксплуатацию 28 школ, 21 детское дошкольное учреждение, 3 спортивных комплекса, 1 крытый плавательный бассейн и 16 социальных объектов, то в 2021 году было построено уже 1237 строительных объектов, включая частные детские дошкольные учреждения, а в 2022 году введено в эксплуатацию 1889 объектов. [2]

Практически каждый девятый объект из десяти в настоящее время в долине строится с использованием керамического кирпича. Однако существующие запасы глин в регионе, пригодные для производства высококачественных керамических материалов сокращаются и не покрывают дефицит на быстрорастущий спрос для производства в полном объёме этого материала. [3]

Дефицит глины вынуждает производителей керамических изделий использовать нетрадиционное сырьё либо закупать её по более высоким ценам, что увеличивает издержки на производство такого вида материалов. Рост издержек может сделать керамическую продукцию Ферганской долины менее конкурентоспособной на рынке по сравнению с продукцией из других регионов.

Для оценки конкурентоспособности производимых строительных материалов на потребительском рынке большое значение имеет исследование и прогнозирование эксплуатационных свойств изделий на предмет их соответствия нормативным требованиям. [3] Специалисты отмечают, что при исследовании керамических изделий из нетрадиционного или техногенного сырья, имеющих новые структурные и конструктивные особенности, наряду со стандартными методами и определениями возникает необходимость в разработке и использовании новых исследований. [4]

Методология исследования

Учитывая особенности химического состава некондиционного сырья (табл. 1), содержащих растворимые соли в виде сульфатов и карбонатов, были проведены исследования по образованию высолов на поверхности кирпича. На первом этапе определялось содержание водорастворимых солей в составе техногенного сырья – грунтов, взятых из дренажных каналов в нескольких районах Ферганской области. Образцы были собраны из относительно свежевырытых отвалов дренажных каналов. К слову, дренажные каналы играют важную роль в сельском хозяйстве, создавая систему для удаления избыточной воды из полей, предотвращая излишнее увлажнение почвы и снижая риска затопления сельскохозяйственных угодий. Каждый год дренажные каналы регулярно очищаются и обслуживаются для поддержания их эффективной работы.

Анализ показал, что по степени засоления их можно отнести к среднезасоленным породам (табл. 1). В табл. 1 сравнительные приведены данные содержания грунтов дренажных каналов из разных районов Ферганской области сравнительно требованиям стандарта O´zDSt 2294:2011, предъявляемым к сырью для производства керамических кирпичей.

Таблица 1.

Сравнительная таблица анализа грунтов дренажных каналов

Анализ данных в табл. 1 показал, что большинство исследуемых грунтов частично удовлетворяют требованиям стандарта O´zDSt 2294:2011. Однако полностью на требования стандарта не отвечает ни один из исследованных образцов. Самым близким к соответствующим нормам оказался образец грунта «Дангара-2». Этот отвал имеет внушительный объём, что увеличивает его потенциал как источника сырья для производства керамики. Однако повышенное содержание щелочных металлов и соединений серы делает его непригодным для производства керамических изделий.

При изготовлении керамических образцов из данного грунта, как и ожидалось, наблюдалось образование высолов на поверхности кирпичей. Проверка проводилась попеременным увлажнением и высушиванием образцов путём установки их на тычок, погружением в воду на 1/3 по высоте и постоянным обдувом воздуха под вентилятором в течение суток. На поверхности образца, выпеченного из отвалов дренажных каналов Дангара-2, установлено появление незначительного количества высолов, что согласуется с химическим анализом.

Для устранения высолов на поверхности кирпича предложено использовать химический способ перевода сульфатов в нерастворимое состояние углекислым барием, сопровождающих течение следующих реакций замещения щелочных и щелочно-земельных металлов:

Na₂SO₄ + BaCO₃ = BaSO₄ + Na₂CO₃;

CaSO₄ + BaCO₃ = BaSO₄ + CaCO₃;

MgSO₄ + BaCO₃ = BaSO₄ + MgCO₃.

Вследствие таких обменных реакций ионы SO₄^2- остаются в шихте связанными, а растворимые карбонаты металлов в дальнейшем при обжиге легко реагируют с силикатами, выделяя углекислоту. Необходимое количество добавляемой соли бария можно определить из стехиометрического расчета. [4]

В табл. 2 представлено процентное содержание сульфатов для грунта Дангара-2. Приняв расход сырья на производство одного кирпича формата 1НФ равным 3,5 кг, был определен расход углекислого бария на сульфат кальция – 26 г, на сульфат магния – 8 г и 12 г на сульфат натрия. В результате на производство одного кирпича формата 1НФ потребуется около 46 г BaCO₃ для нейтрализации вредных солей.

Таблица 2

Процентное содержание сульфатов в составе грунта Дангара-2

Для проверки теоретических расчетов были приготовлены шесть различных образцов из глины, содержащих различное количество углекислого бария. Содержание сырьевых материалов (вес. %) шести образцов показано в табл. 3.

Процесс изготовления образцов осуществлялся следующим образом: сырьё перемешивалось в течение 20 минут в шаровой мельнице с алюминиевыми шариками. Затем образцы формовались в формах размерами 50х50х50 мм. Готовая глиномасса уплотнялась, утрамбовывалась и выдерживалась в сушильном шкафу при 35°C в течение 60 минут. Далее образцы подвергались обжигу с последовательным нагревом до 200°C в течение 2 часов, затем до 300-400°C в течение 4 часов и до 950°C в течение 4 часов, после чего печь отключалась и образцы остывали в ней в течение 12 часов. Обожжённые образцы использовались для определения линейной усадки, водопоглощения и средней плотности. Представленные результаты (табл. 4) являются средними значениями, полученными для пяти образцов.

Таблица 3

Состав исследуемых образцов и их обозначение (по весу)

Таблица 4

Характеристики керамических образцов

Результаты и обсуждение

Значение линейной усадки образцов, содержащих 2% и 2,5% BaCO₃, значительно уменьшилось по сравнению с контрольным образцом. Этот результат указывает на то, что после добавления 1,5% углекислого бария в образцах Д4 и Д5 произошел эффект перегрева [5], так как добавка является мощным флюсом. Следует отметить, что значение линейной усадки образца Д1 ниже, чем у образца Д2. Это может быть обусловлено различием в распределении добавки и неоднородностью химического состава сырья.

Водопоглощение керамических образцов до добавления 2% углекислого бария неизменно составлял 7,2%. После добавления 2,5% и 3% бария карбоната водопоглощение резко увеличивается. Это значение достигает 13,85% для керамического изделия с содержанием 2,5% добавки, что указывает на то, что добавление углекислого бария до 1,5% является оптимальным для производства изделий из глины отвалов дренажных каналов, так как это позволяет минимизировать водопоглощение и улучшить физико-механические свойства продукции.

Как показывают исследования базовый образец имеет высокое значение средней плотности 1,43 г/см³, меньшее значение плотности было получено в образце Д5 с содержанием 2,5% углекислого бария с максимальным значением водопоглощения, что указывает на развитие пористой структуры из-за образования новых химических соединений бария.

Заключение

Проведённые исследования показали, что использование некондиционного сырья, из дренажных каналов Ферганской области, возможно для производства керамических кирпичей при условии их предварительной обработки. Добавление углекислого бария в количестве до 1,5% позволяет существенно снизить содержание водорастворимых солей и улучшить физико-механические характеристики изделий. Однако превышение этого порога приводит к ухудшению качества продукции из-за образования пористости материала и увеличения водопоглощения производимых кирпичей.

Результаты экспериментов подтверждают необходимость тщательного контроля химического состава и условий обжига для достижения наилучших эксплуатационных характеристик керамических изделий. Разработка новых методик и подходов к использованию техногенного сырья открывает перспективы для снижения производственных затрат и повышения конкурентоспособности керамической продукции в регионе.

Таким образом, оптимизация состава и технологии производства керамических кирпичей с использованием нетрадиционного сырья является актуальной задачей, которая требует дальнейших исследований и разработок для обеспечения устойчивого развития строительной отрасли в Ферганской долине и за её пределами.

Список литературы:

1. Adilxodjaev AI, Son DO. “Some Aspects Of Studying Clays For Producing Ceramic Brick Of Required Properties”. The American Journal of Applied Sciences, vol. 3, no. 5, Aug. 2021, https://theamericanjournals.com/index.php/tajas/article/view/355.
2. Статистический ежегодник регионов Узбекистана // Статистический сборник Государственного комитета Республики Узбекистан по статистике. Ташкент, 2020.
3. А. И. Адылходжаев, И.М. Махаматалиев, А.Т. Ильясов. О влиянии выгорающей добавки из стеблей хлопчатника на структурообразование керамического черепка в процессе обжига кирпича в туннельной печи. Инновационные подходы в современной науке, 2018 г. (pp. 29-34).
4. А. И. Адылходжаев, И.М. Махаматалиев, А.Т. Ильясов. Оптимизация рецептурно–технологических параметров получения эффективного керамического кирпича с выгорающей добавкой из сельскохозяйственных отходов. Вестник ТашИИТ, 2018 г., (2/3), 3-9
5. А.И. Адылходжаев, Б.Г. Игамбердиев, М.М. Умарова. "Использование рисовой соломы для увеличения прочностных характеристик гипсовых вяжущих веществ" Universum: технические науки, no. 10 (55), 2018, pp. 26-30.