Д.т.н. Пищ И.В., к.т.н. Бирюк В.А.

Учреждение образования «Белорусский государственный технологический

университет», Республика Беларусь

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРИЗОВАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ БЛОКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНЫХ ОТХОДОВ

Поризованные керамические изделия находят широкое применение в современном строительстве и характеризуются низкой плотностью и теплопроводностью, обладают хорошими теплоизоляционными свойствами, смягчая перепады температур и создавая в помещении комфортный микроклимат. Поризованные керамические блоки и камни выпускаются в настоящее время на трех кирпичных заводах Республики Беларусь, где в качестве выгорающей и порообразующей добавки применяют древесные опилки, которые в последнее время находят широкое применение в производстве древесно-волокнистых и древесно-стружечных плит, топливных гранул и т.д.

Одной из крупномасштабных отраслей промышленности Республики Беларусь является производство бумаги. Широкое использование целлюлозно-бумажных изделий в быту и других сферах определяет высокий объем их производства, однако параллельно образуется огромное количество отходов (древесная кора, низкосортные волокна, различные шламы и осадки, образующиеся при очистке сточных вод). Среди таких отходов, которые в большинстве случаев вывозятся в отвалы, где разлагаются под действием гнилостных бактерий в течение нескольких лет, наибольший интерес представляет так называемый скоп [1].

Целью настоящей работы явилось исследование сравнительного влияния отходов деревообработки и целлюлозно-бумажного производства на основные физико-технические свойства керамического кирпича, разработка составов масс и технологических режимов получения стеновых керамических материалов на их основе.

В качестве объектов исследования были выбраны составы опытных масс на основе белорусской красножгущейся глины месторождения «Гайдуковка», имеющей промышленное значение в производстве керамического кирпича, а в качестве выгорающих добавок использовали древесные опилки и отход целлюлозно-бумажного производства – скоп.

Скоп представляет собой осадок сточных вод после первичной очистки, органическая часть которого составляет около 50 % и представлена в основном целлюлозными волокнами. Минеральная часть содержит до 90 % каолина [2]. Гранулометрический состав представлен преобладанием фракций <0,025 мм (около 50 %).

При проведении экспериментов использовали скоп, образующийся на ОАО «Слонимский картонно-бумажный завод «Альбертин» с влажностью 39-40 % и плотностью 0,35 кг/м³.

Опилки древесные - это отходы в виде мелких частиц, получаемые при распиливании древесины. Размеры опилок зависят от вида режущего инструмента, скорости резания и скорости подачи обрабатываемого материала. Элементный состав опилок (в процентах на органическую массу) следующий, %: С - 50; Н - 6; N - 1; О – 43. В работе использовались опилки поперечной распиловки смешанных пород древесины.

Опытные образцы были изготовлены по традиционной пластической технологии. Влажность формовочной массы составляла 16-18 % и корректировалась с учетом влажности вводимых добавок. Отформованные образцы подвяливали в течении суток, высушивали в сушильном шкафу при температуре 100±5 ºС и обжигали в электрической печи при температурах 950 ºС, 1000 ºС, 1050 ºС с выдержкой в течение 1 ч. Содержание поризующих добавок изменялось в пределах от 2,5 до 10 %.

Физико-химические свойства образцов испытывались по стандартным методикам. Установлены закономерности влияния количества используемых в работе добавок на водопоглощение, плотность, пористость и механическую прочность синтезированных материалов.

При использовании в качестве поризующей добавки древесных опилок прочность при изгибе изменяется в интервале 3,23 – 5,73 МПа; линейная усадка в пределах 3,2 – 5,6 %; кажущаяся плотность 1265 – 1600 кг/м³; водопоглощение изменяется в пределах 21,21 – 44,06 %; открытая пористость 36,07 – 55,75 %; коэффициент теплопроводности 0,21 – 0,46 Вт/(м·К). С увеличением температуры обжига, водопоглощение также уменьшается, соответственно уменьшается открытая пористость и увеличивается кажущаяся плотность.

Отмечено положительное влияние увеличения содержания древесных опилок в составах масс на основные эксплуатационные характеристики керамических материалов, которые предопределяют их использование в качестве теплоизоляционных изделий. Так, при температуре обжига 1000 °С, образцам полученным на основе глины «Гайдуковка» с минимальным содержанием опилок (2,5 %) соответствовали значения пористости в пределах 20-22 %, а с максимальным содержанием (10 %) – до 40 %.

Оценка основных эксплуатационных характеристик керамических образцов полученных с использованием отхода производства бумаги позволила установить его положительное влияние на характер изменения водопоглощения, пористости и прочности материалов.

Установлено, что при использовании в качестве порообразующей добавки отхода производства бумаги – скопа прочность при изгибе материалов изменяется в интервале 5,97 – 9,24 МПа; прочность при сжатии образцов находится в пределах 16,82 – 17,4 МПа; усадка 4,2 – 5,9 %; кажущаяся плотность 1480 – 1692 кг/м³; водопоглощение 15,64 – 22,55 %; открытая пористость 28,03 – 32,49 %; коэффициент теплопроводности изменяется в интервале 0,282 – 0,430 Вт/(м·К).

Сравнительная характеристика опытных образцов полученных при использовании в составах масс на основе глины «Гайдуковка» древесных опилок и отхода целлюлозно-бумажного производства – скопа приведена в таблице.

В работе было также исследовано влияние комбинации добавок древесные опилки-скоп, при этом их суммарное содержание оставалось постоянным и составляло 10 %. Показано, что при использовании в качестве поризующей добавки древесных опилок и скопа в соотношении 1:1, прочность при изгибе находится в пределах 3,23 – 7,73 МПа; усадка в пределах 3,2 – 5,6 %; кажущаяся плотность 1265 – 1500 кг/м³; водопоглощение изменяется в пределах 23,2 – 44,06 %; открытая пористость 36,07 – 55,75 %; коэффициент теплопроводности 0,11 – 0,36 Вт/(м·К).

Таблица

Сравнительная характеристика синтезированных материалов

Наименование показателя	Значение показателя для образцов
	без добавок	с использованием опилок	с использованием скопа
Температура обжига, ºC	1000	1000	1000
Водопоглощение, %	12,5	27,8	22,5
Кажущаяся плотность, кг/м^3	1750	1450	1580
Открытая пористость, %	22,2	39,2	32,8
Общая усадка, %	3,4	5,6	4,2
Предел прочности при изгибе, МПа	15,6	6,8	10,5
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)	0,4	0,2	0,32

Вместе с тем следует отметить, что при увеличении содержания в составах керамических масс скопа наблюдается рост предела прочности при изгибе до 10 МПа, что можно объяснить положительным влиянием минеральной составляющей скопа – каолином.

Основными кристаллическими фазами, присутствующими в образцах опытных составов являются α-кварц (α-SiO₂), гематит (α-Fe₂O₃) и анортит (CaAl₂Si₂O₈). Следует отметить, что для образцов с добавкой скопа характерны несколько более интенсивные пики анортита, что можно объяснить присутствием в зольном остатке значительных количеств карбонатов и силикатов кальция, при разложении которых образуется СаО, который впоследствии связывается в анортит, повышая прочностные показатели материалов.

Определение опытных образцов на морозостойкость показало, что они могут выдерживать около 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания, что соответствует марке морозостойкости F 35.

Значения эффективной удельной активности радионуклидов ⁴⁰К, ²²⁶Ra, ²³²Th и ¹³⁷Cs в синтезированных материалах находятся в пределах до 35 Бк/кг и не превышают действующих норм содержания радиоактивных веществ в сырьевых материалах (370 Бк/кг).

На основании результатов проведенных исследований показана реальная возможность получения керамического кирпича с хорошими эксплуатационными свойствами при введении в составы керамических масс выгорающего компонента отхода целлюлозно-бумажного производства – скопа, позволяющего получать достаточно прочный керамический материал пористой структуры.

Было установлено, что использование в составах масс выгорающих добавок, обладающих высокой теплотворной способностью, позволяет снизить температуру обжига в туннельной печи на 50-70 ºС за счет тепла выделяющегося при их сгорании.

В ходе проведенных исследований изучено влияние добавок на основные технологические характеристики керамических материалов: водопоглощение, пористость, механическую прочность и теплопроводность. Установлено оптимальное количество добавок, обеспечивающих получение материалов с заданным комплексом свойств, формирование однородной структуры, оптимального фазового состава и равномерной окраски, а также определены рациональные технологические режимы обжига материалов с целью получения изделий, соответствующих требованиям СТБ 1719.

Литература

1 Баранов, H.A. Технология и оборудование бумажного производства / H.A. Баранов, Д.С. Добровольский. – М.: Лесная промышленность, 1966. – 450с.

2 Баталин, Б.С. Исследование физико-механических свойств скопа картонного производства / Б.С. Баталин, И.А. Козлов // Изв. вузов. Строительство. – 2004. – №1. – С. 32-34.