КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТХОДОВ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА КАК СЫРЬЕВОГО КОМПОНЕНТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА

АННОТАЦИЯ

В работе представлена информация о результатах исследований по определению возможности применения отходов производства керамического кирпича взамен природного глинистого сырья в качестве алюмосиликатного компонента сырьевой смеси для обжига клинкера. Процесс химического взаимодействия компонентов протекает интенсивно, усвоение СаО_св при обжиге шихты №1 практически завершается при температуре (1350-1380)⁰С, а шихты №2 – при (1380-1400)⁰С с полным образованием клинкерных минералов. Содержание СаОсв в них не превышает (не более 1,0%) нормативного значения. Отмечено, что новые сырьевые смеси характеризуются высокой реакционной способностью и обеспечивают синтез клинкера с хорошей структурой при температуре на 50-80^оС ниже, чем у смесей с природным глинистым сырьем – лёссом.

ABSTRACT

The paper presents information on the results of research to determine the possibility of using waste from the production of ceramic bricks instead of natural clay raw materials as an aluminosilicate component of the raw mixture for firing clinker. The process of chemical interaction of the components proceeds intensively, the assimilation of CaO_free during firing of charge No. 1 is practically completed at a temperature of (1350-1380) ⁰C, and of charge No. 2 at (1380-1400) ⁰C with the complete formation of clinker minerals. The content of CaO_free in them does not exceed (no more than 1.0%) the standard value. It is noted that the new raw material mixtures are characterized by high reactivity and provide the synthesis of clinker with a good structure at a temperature 50-80°C lower than that of mixtures with natural clay raw materials - loess-like rock.

Ключевые слова: кирпичный бой, химический состав, минеральный состав, компонентный состав сырьевой смеси, клинкер, минеральный состав, структура.

Keywords: brick waste, chemical composition, mineral composition, component composition of the raw mixture, clinker, mineral composition, structure.

Для утилизации техногенных отходов, образующихся в огромных количествах при производстве основной продукции, наиболее подходящими являются материалоёмкие отрасли, в том числе строительная индустрия. При этом, проблема их использования в строительстве заключается в том, что строительные материалы и изделия, получаемые с применением отходов, должны быть экологически безопасными и устойчивыми к воздействию агрессивных факторов окружающей среды [1].

В процессе производственной деятельности предприятий по производству керамических строительных материалов образуются огромное количество твердых отходов в виде недожога, пережога, боя керамических изделий и т.п., которых необходимо утилизировать, либо отправлять на переработку. Известно, что в процессе изготовления керамических изделий образуется огромное количество отходов в виде битых изделий при сушке, извлечении из формы, недожога, пережога,  бракованные  керамические изделия и т.п. в том числе, боя керамического кирпича и  керамических плиток. В связи с тем, что эти отходы представлены термоактивированными алюмосиликатными материалами, по реакционной способности превосходящими метакаолина, получаемого обжигом каолиновой глины при температуре 800^оС, для экономии дорогостоящего портландцементного клинкера их целесообразно применять в качестве активной минеральной добавки к цементу [2-5].  Известны также работы по применению боя керамических плиток в качестве алюмосиликатного компонента сырьевой смеси для получения портландцементного клинкера и активной минеральной добавки в цемент [6 -10].  

Отсутствие влажности и высокая реакционная способность отходов керамического кирпича также может вести себя в составе сырьевой шихты для обжига портландцементного клинкера взамен природного глинистого сырья. Известно, что в процессе обжига сырьевой смеси глинистые минералы – каолинит, галлуазит, монтмориллонит – при нагревании до 50-100^оС теряют механически примешанную воду, от 100 до 300^оС – адсорбционную, при температурах 400-600^оС - основное количество кристаллизационной воды, на удаление которых расходуется огромное количество тепла. Выделение свободных оксидов в сырьевой шихте в присутствии отходов керамического производства наступает при относительно низких температурах, так как в этом случае нет необходимости в дегидратации алюмосиликатного сырья, что обеспечивает значительную экономию теплоносителя.

В данной работе в качестве объектов исследований выбраны отходы 2-х заводов по производству керамического кирпича: ООО «Гишт-Хумдон» (№1) и ООО «Той-Тепа гишт заводи» (№2), расположенных в Ташкентской области, сырьевые смеси для обжига портландцементного клинкера с их применением и портландцементы на их основе. Для установления их пригодности к применению в качестве алюмосиликатного компонента сырьевой шихты для обжига клинкера проведены комплексные исследования химико-минералогического состава и физико-химических свойств. Отходы керамического кирпича обеих кирпичных заводов визуально представлены кирпичным боем, а также недожогом или пережогом кирпича-сырьца. Визуально бой керамического кирпича имеет в основном светлый цвет с кремоватым оттенком, встречаются также образцы, имеющие горчично-коричневый цвет (рис. 1).

 Рисунок 1. Отходы керамического кирпича

По содержанию основных оксидов отходы керамического кирпича обеих заводов близки друг к другу, в связи с чем для расчета состава сырьевых смесей для обжига клинкера использовали усредненную пробу кирпичного боя №1 – ООО «Гишт-Хумдон» (табл.1). Химические составы компонентов для синтеза опытных клинкеров представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав компонентов для синтеза клинкеров с применением кирпичного боя и получения цемента на его основе

По данным рентгенофазового анализа, минералогический состава кирпичного боя включает кварц (d/n = 0,424; 0,333; 0,245; 0,228; 0,222; 0,212…) nm; гематит с d/n = (0,251; 0,220; 0,181; 0,167…) nm; анортит с d/n = (0,418; 0,369; 0,349; 0,322; 0,297; 0,294; 0,270; 0,208…) nm; диопсид с d/n = (0,297; 0,294; 0,270; 0,251; 0,212; 0,204…) nm, присутствует также стеклофаза (рис. 2).

Рисунок 2. Дифрактограмма кирпичного боя

 В качестве карбонатсодержащего компонента сырьевой смеси для обжига клинкера использовали известняк, используемый на АО “Ахангаранцемент”, минерализующей добавки к сырьевой смеси – железосодержашие огарки АО “Алмалыкский металлургический комбинат”, регулятора сроков схватывания цементов на основе опытных клинкеров – гипсовый камень Бухарского месторождения. Компонентный состав сырьевых смесей и минералогический состав клинкеров рассчитаны по специальной программе, составленной в соответствии с разработанной известной методикой расчета для получения клинкеров [11, 12]. Расчеты сочтава сырьевых смесей вели при значениях коэффициента насыщения КН=0,85-0,92; силикатного модуля n=1,95-3,00; глиноземного модуля р=0,70-2,09. На основе анализа расчетных данных, с учетом расчетного минералогического состава клинкеров, выбраны 2 состава сырьевой смеси: №1- сырьевая смесь для синтеза клинкера для сульфатостойкого портландцемента; №2-сырьевая смесь для синтеза клинкера для общестроительного портландцемента (табл. 2).

Таблица 2

Состав сырьевых смесей и минералогия клинкеров на их основе

Обжиг сырьевых шихт проводили в электирической печи силитовыми стержнями в диапазоне температур (1000-1450^оС). При этом, процесс химического взаимодействия компонентов протекает интенсивно, усвоение СаО_св при обжиге шихты №1 практически завершается при температуре (1350-1380)⁰С, а шихты №2 – при (1380-1400)⁰С с полным образованием клинкерных минералов. Хорошо спеченные гранулы имели темно-серый цвет, содержание СаО_св в них не превышает (не более 1,0%) нормативного значения (рис. 3).

Рисунок 3. Внешний вид и рельеф поверхности скола синтезированных клинкеров

Содержание кирпичного боя в сырьевых смесях составляет (19,46-22,78) %. Расчетное содержание минералов (мас.%): в клинкере №1 C₃S-47,48; C₂S-31,80; Σ C₃A+ C₄AF-17,49; в клинкере №2 - C₃S-62,18; C₂S-16,57; Σ C₃A+ C₄AF-17,49; 17,99 (табл.2). Путем помола в лабораторной шаровой мельнице клинкеров в присутствии 5% гипсового камня до тонкости помола 11-12% остатка на сите №008 получены портландцементы, гидравлическая активность которых по ГОСТ 31108-2020 соответствует к классу цемента 32,5 по прочности.

Таким образом, установлена возможность полной замены природных глинистых сырьевых материалов в составе сырьевой смеси для обжига клинкера отходами керамического кирпича и при относительно низкой температуре получить кондинционный клинкер, характеризующийся такими же показателями прочности, что и цементы на основе клинкеров, полученных с применением природных лессовидных суглинков. Технология обеспечивает утилизацию керамических отходов, оздоровление окружающей среды, снизить затраты тепловой энергии на обжиг клинкера, интенсификации процеса химического взаимодействия компонентов сырьевой смеси, увеличению производительности вращающихся печей, снижению себестоимости клинкера, а также конечной продукции – цемента.

Список литературы:

1. Бусел А.В. Переработка техногенных отходов и их использование в строительной индустрии // Информационно-аналитический журнал «Новости науки и технологий». - Минск: ГУ «БелИСА». 2012. № 3(22).
2. Кузнецова Т.В. Кинетика гидратации и свойства цемента с добавкой метакаолина // Строительные материалы. 2015. № 7. –С.3-6.
3. Гайфуллин А.Р., Рахимов Р.З., Рахимова Н.Р. Влияние добавок глинитов в портландцемент на прочность при сжатии цементного камня // Инженерно-строительный журнал. № 7 (59). 2015. –С.66-73.
4. Рахимов Р.З. Свойства цементного камня с добавками глинита // Строительные материалы. 2015. № 5. – С.24-26.
5. Рахимов Р. З., Рахимова Н. Р., Гайфуллин А. Р. Влияние добавок в портландцемент прокаленной и молотой глины с содержанием 40% каолинита на прочность цементного камня //Academia. Архитектура и Строительство. «2. 2015. –С. 131-133.
6. Ботиров Б.Б., Искандарова М., Бегжанова Г.Б. К вопросу использования керамического боя в качестве алюмосиликатной добавки для цемента //UNIVERSUM: Технические науки. – Москва. 2018.  № 7(52). – 4 с.
7. Ботиров Б.Б., Искандарова М., Бегжанова Г.Б., Миронюк Н.А. Влияние добавки керамических отходов на реологические свойства шламов и минералогию клинкеров. //Композиционные материалы. - № 2. – Ташкент. 2019. – С. 8-11.
8. Бегжанова Г.Б., Миронюк Н.А., Ботиров Б.Б., Искандарова М. Исследование влияния отхода керамического производства на реакционную способность сырьевых смесей для обжига портландцементного клинкера//Композиционные материалы. № 4. – Ташкент. 2018. – С. 93-97.
9. Ботиров Б.Б. Исследование влияния отхода керамического производства на реакционную способность сырьевых смесей для обжига портландцементного клинкера//Узбекский химический журнал. - № 4. – Ташкент, 2019. – С. 28-35.
10. Ботиров Б.Б., Бегжанова Г.Б., Якубжанова З.Б. Эффективное решение вопроса утилизации отходов керамического производства в цементной промышленности //Межд. научный форум «Научка и инновация – Современные кронцепции». Сб. научных статей. – Москва, 12 марта 2020 г. том 1. – С.95-102.
11. Бутт Ю.М., Тимашев В.В. Практикум по химической технологии вяжущих материалов. – М. :Стройиздат. 1973. – 504 с.
12. Бутт Ю.М., Сычев М.М., Тимашев В.В. Химическая технология вяжущих материалов. –М. :Высшая школа. 1980. – 472с.