По объемам выпуска производство строительных материалов входит в число ведущих отраслей промышленности России и отличается высокой потребностью продукции на рынке. Промышленность строительных материалов определяет эффективность развития строительного комплекса, который обеспечивает рост всех отраслей экономики любого региона за счет строительства промышленных объектов, и способствует решению ряда социальных задач, таких как обновление жилищных фондов и определение цен на жилье [5].
Одним из основных стеновых строительных материалов является керамический кирпич, несмотря на то что в последнее время чаще используются более дешевые, но менее долговечные и экологически безопасные материалы [5]. В связи с этим необходима разработка технологий, позволяющих получить керамический кирпич высокого качества и низкой себестоимости.
При этом следует учитывать, что строительный кирпич в России в основном производится на предприятиях сравнительно небольшой производственной мощности, работающих на местном сырье. Поэтому актуальным будет рассмотрение возможности получения керамического кирпича из местного сырья низкого качества, а также вторичного сырья, что одновременно решает проблему утилизации промышленных отходов региона.
Цель исследования
Целью данной работы являлась оценка возможности производства керамического кирпича на основе малопластичной глины Владимирской области с добавлением гальванического шлама, утилизация которого для рассматриваемого региона является одной из наиболее важных проблем [4].
Для этого необходимо изучить влияние содержания гальванического шлама в составе керамики на основные физико-механические свойства получаемого материала и подобрать состав шихты, обеспечивающий высокое качество изделий. Так как гальванический шлам содержит тяжелые металлы и является вредным для окружающей среды отходом, относящимся к 2–3 классу опасности [8], было необходимо провести исследования, подтверждающие экологическую безопасность получаемого керамического материала.
Материалы и методы исследования
Для проведения исследований была выбрана глина Суворовского месторождения Владимирской области, которая имела следующий состав (масс. %): SiO2 = 67,5; Al2O3 = 10,75; Fe2O3 = 5,85; CaO = 2,8; MgO = 1,7; K2O = 2,4; Na2O = 0,7. Наличие в составе глины оксидов алюминия, кальция и магния свидетельствовало о низкой пластичности глины.
Для введения в состав шихты применялся гальванический шлам предприятия ОАО «Завод «Автоприбор» (г. Владимир), представляющий собой продукт реагентной очистки сточных вод гальванических производств данного предприятия влажностью от 60 до 70 % [7]. В состав шлама входили следующие соединения (масс. %): Zn(OH)2 ≈ 11,3 %; SiO2 ≈ 7,08 %; Ca(OH)2 ≈ 16,52 %; Cr(OH)3 ≈ 9,31 %; (Fe2+)Cr2S4 ≈ 4,17 %; СаСО3 ≈ 40,25 %; CaO ≈ 3,45 %; ZnO ≈ 2,41 %; Cu(OH)2 ≈ 2,38 %; Ni(OH)2 ≈ 2,62 %; Mn(OH)2 ≈ 0,64 %; Pb(OH)2 ≈ 0,14 %. Наличие в составе относительно большого соединений цинка, хрома подтверждает токсичность данного шлама.
Перед проведением исследований указанные материалы высушивались и измельчались, а для приготовления сырьевой смеси отбиралась фракция с размером частиц менее 0,63 мм. Для получения образцов материала применялась технология полусухого прессования [9, 10] при формовочной влажности шихты 8 масс. %, удельном давлении прессования 15 МПа и температуре обжига 1050 °С. Образцы материала изготавливались сериями в виде кубиков со стороной 50 мм. Каждая серия состояла из трех образцов.
Для оценки физико-механических свойств у образцов по стандартным для керамических материалов методикам определялись плотность (ρ, кг/м3), прочность на сжатие (σсж, МПа), пористость (П, %) и водопоглощение (В, %). Токсичность керамики оценивалась при помощи методики определения смертности дафний Daphnia magna Straus под действием токсических веществ, присутствующих в водной вытяжке из исследуемых образцов [3].
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты определения физико-механических свойств образцов, полученных после введения в состав шихты различного количества шлама (ГШ), представлены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Плотность и прочность на сжатие исследуемых образцов
Рис. 2. Пористость и водопоглощение исследуемых образцов
Как следует из данных рис. 1, с увеличением содержания в составе шихты гальванического шлама приводит к уменьшению плотности и прочности получаемого керамического материала. Это связано с тем, что в состав гальванического шлама входят соединения, разлагающиеся при нагреве до высоких температур с образованием газов и водяного пара, что приводит к образованию внутри образца пор и пустот, поэтому пористость и водопоглощение материала увеличиваются, что подтверждается данными рис. 2. При проведении эксперимента на определение токсичности для всех исследуемых составов была зафиксирована гибель более 50 % дафний, что свидетельствует о высокой доли миграции тяжелых металлов.
В связи с этим было принято решение ограничить количество гальванического шлама до 2,5 масс. % и ввести в состав шихты борную кислоту в качестве модифицирующей добавки. Выбор данного компонента основан на сведениях о том, что борная кислота даже в небольшом количестве приводит к образованию стекловидной фазы при обжиге, что повышает плотность и прочность керамики [1, 2], а также затрудняет миграцию тяжелых металлов [6].
Результаты экспериментов, проведенных на составах с различным количеством борной кислоты (БК) при отдельном и совместном с гальваническим шламом введении в шихты, приведены в таблице.
Результаты определения токсичности образцов, полученных на основе указанных в таблице составов, показаны на рис. 3.
Как следует из данных рис. 3, с увеличением содержания борной кислоты (составы 1 и 2) увеличивается токсичность материала, а следовательно, повышение содержания данного компонента нецелесообразно. Введение 2 масс. % борной кислоты в состав шихты совместно с гальваническим шламом (состав 4) позволяет получать керамический материал с удовлетворительной токсичностью.
Выводы
Таким образом, в результате проведенных исследований доказана возможность получения керамического кирпича высокого качества на основе малопластичной глины месторождения Владимирской области с добавлением 2,5 масс. % гальванического шлама предприятия ОАО «Завод «Автоприбор» (г. Владимир) и 2 масс. % борной кислоты. В сравнении с контрольным составом, получаемым только на основе исследуемой глины, разработанный состав позволяет получать материал с повышенной прочностью (от 14,3 до 21,8 МПа). При этом разработанный состав позволяет утилизировать токсичные отходы местного предприятия с получением экологически безопасного строительного материала.
Физико-механические свойства модифицированного керамического кирпича
|
Состав |
Содержание, масс. % |
Плотность, кг/м3 |
Прочность на сжатие, МПа |
Пористость, % |
Водопоглощение, % |
|
|
ГШ |
БК |
|||||
|
1 |
– |
1 |
2090,3 |
21,6 |
5,9 |
6,3 |
|
2 |
– |
2 |
2139 |
22,1 |
5,2 |
5,4 |
|
3 |
2,5 |
1 |
2051,6 |
21,2 |
8,2 |
9,7 |
|
4 |
2,5 |
2 |
2089,3 |
21,8 |
7,7 |
8,9 |
|
5 |
2,5 |
– |
1996,9 |
13,0 |
9,1 |
10,1 |
Рис. 3. Оценка токсичности исследуемых составов