Помощь студентам в учебе
СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА С АНОРТИТОВОЙ ФАЗОЙ НА ОСНОВЕ ЛЕГКОПЛАВКИХ ГЛИН И ТЕХНОГЕННОГО НЕПЛАСТИЧНОГО СЫРЬЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОЛУЧЕНИЯ
КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНОГО И
НЕКОНДИЦИОННОГО ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ 12
1.1 Строительная керамика с использованием техногенных сырьевых
материалов 13
1.1.1. Строительная керамика с использованием золошлаковых (отходов
теплоэнергетики) отходов 14
1.1.2. Строительная керамика с использованием техногенных отходов 16
1.1.3 Строительная керамика с использованием кальцийсодержащих отходов 18
1.2 Синтез анортита в составе строительной керамики 23
1.3 Постановка цели и задачи работы 26
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ 28
2.1 Характеристика исходных материалов 28
2.1.1 Характеристика глинистого сырья 29
2.1.2 Характеристика техногенного сырья 31
2.2 Методы исследования и методология работы 34
2.2.1 Физико-механические методы исследования 35
2.2.2 Физико-химические методы исследования 36
2.3 Методология работы 37
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ АНОРТИТА
ПРИ ОБЖИГЕ ЛЕГКОПЛАВКОЙ ГЛИНЫ, КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩЕГО ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ 40
3.1. Процессы фазообразования при обжиге глины Верхового месторождения. 40
3.1.1 Анализ влияния температуры на физические свойства продукта обжига
глины Верхового месторождения 42
3.1.2 Физико-химический анализ процессов, происходящих при обжиге
глины Верхового месторождения 45
3.1.3 Анализ микроструктуры продукта обжига глины Верхового
месторождения 48
3.2 Процессы фазообразования при обжиге непластичного техногенного сырья 50
3.2.1. Процессы фазообразования при обжиге шлама газоочистки
конвертерного производства 52
3.2.2 Процессы фазообразования при обжиге шлака доменного 56
3.2.3. Процессы фазообразования при обжиге шлама газоочистки доменного
производства 60
Выводы по главе 3 64
4. РАЗРАБОТКА КОМПОНЕНТНЫХ СОСТАВОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ОБЖИГЕ КОМПОЗИЦИЙ ГЛИНЫ С ТЕХНОГЕННЫМИ ОТХОДАМИ 66
4.1.1 Разработка компонентных составов для получения строительной
керамики, содержащей глину Верхового месторождения и шлам газоочистки конвертерного производства и подбор режима обжига композиций 66
4.1.2 Процессы фазообразования при обжиге композиции, содержащей глину Верхового месторождения и шлам газоочистки конвертерного производства
75
4.2.1 Разработка компонентных составов для получения строительной
керамики, содержащей глину Верхового месторождения и шлак доменного производства и подбор режима обжига композиций 82
4.2.2 Процессы фазообразования при обжиге композиции, содержащей глину
Верхового месторождения и шлак доменный 87
4.3.1 Подбор и обоснование составов для получения керамических материалов содержащей глинистое сырье Верхового месторождения и шлам газоочистки доменного производства и подбор режима обжига композиций 93
4.3.2 Процессы фазообразования при обжиге композиции, содержащей глину Верхового месторождения и шлам газоочистки доменного производства .... 98
Выводы по 4-ой главе: 105
5. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С АНОРТИТОВОЙ ФАЗОЙ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ ЛЕГКОПЛАВКОЙ ГЛИНЫ И КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩЕГО НЕПЛАСТИЧНОГО СЫРЬЯ 108
5.1 Обоснование и выбор компонентных составов 108
5.2 Технология получения керамического кирпича с анортитовой фазой 109
5.3 Свойства образцов керамического кирпича с анортитовой фазой 113
5.4 Технология получения керамического кирпича с анортитовой фазой в
производственных условиях 117
Выводы по главе 5 121
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
Библиографический список 128
Приложение 1 144
1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОЛУЧЕНИЯ
КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНОГО И
НЕКОНДИЦИОННОГО ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ 12
1.1 Строительная керамика с использованием техногенных сырьевых
материалов 13
1.1.1. Строительная керамика с использованием золошлаковых (отходов
теплоэнергетики) отходов 14
1.1.2. Строительная керамика с использованием техногенных отходов 16
1.1.3 Строительная керамика с использованием кальцийсодержащих отходов 18
1.2 Синтез анортита в составе строительной керамики 23
1.3 Постановка цели и задачи работы 26
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ 28
2.1 Характеристика исходных материалов 28
2.1.1 Характеристика глинистого сырья 29
2.1.2 Характеристика техногенного сырья 31
2.2 Методы исследования и методология работы 34
2.2.1 Физико-механические методы исследования 35
2.2.2 Физико-химические методы исследования 36
2.3 Методология работы 37
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ АНОРТИТА
ПРИ ОБЖИГЕ ЛЕГКОПЛАВКОЙ ГЛИНЫ, КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩЕГО ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ 40
3.1. Процессы фазообразования при обжиге глины Верхового месторождения. 40
3.1.1 Анализ влияния температуры на физические свойства продукта обжига
глины Верхового месторождения 42
3.1.2 Физико-химический анализ процессов, происходящих при обжиге
глины Верхового месторождения 45
3.1.3 Анализ микроструктуры продукта обжига глины Верхового
месторождения 48
3.2 Процессы фазообразования при обжиге непластичного техногенного сырья 50
3.2.1. Процессы фазообразования при обжиге шлама газоочистки
конвертерного производства 52
3.2.2 Процессы фазообразования при обжиге шлака доменного 56
3.2.3. Процессы фазообразования при обжиге шлама газоочистки доменного
производства 60
Выводы по главе 3 64
4. РАЗРАБОТКА КОМПОНЕНТНЫХ СОСТАВОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ОБЖИГЕ КОМПОЗИЦИЙ ГЛИНЫ С ТЕХНОГЕННЫМИ ОТХОДАМИ 66
4.1.1 Разработка компонентных составов для получения строительной
керамики, содержащей глину Верхового месторождения и шлам газоочистки конвертерного производства и подбор режима обжига композиций 66
4.1.2 Процессы фазообразования при обжиге композиции, содержащей глину Верхового месторождения и шлам газоочистки конвертерного производства
75
4.2.1 Разработка компонентных составов для получения строительной
керамики, содержащей глину Верхового месторождения и шлак доменного производства и подбор режима обжига композиций 82
4.2.2 Процессы фазообразования при обжиге композиции, содержащей глину
Верхового месторождения и шлак доменный 87
4.3.1 Подбор и обоснование составов для получения керамических материалов содержащей глинистое сырье Верхового месторождения и шлам газоочистки доменного производства и подбор режима обжига композиций 93
4.3.2 Процессы фазообразования при обжиге композиции, содержащей глину Верхового месторождения и шлам газоочистки доменного производства .... 98
Выводы по 4-ой главе: 105
5. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С АНОРТИТОВОЙ ФАЗОЙ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ ЛЕГКОПЛАВКОЙ ГЛИНЫ И КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩЕГО НЕПЛАСТИЧНОГО СЫРЬЯ 108
5.1 Обоснование и выбор компонентных составов 108
5.2 Технология получения керамического кирпича с анортитовой фазой 109
5.3 Свойства образцов керамического кирпича с анортитовой фазой 113
5.4 Технология получения керамического кирпича с анортитовой фазой в
производственных условиях 117
Выводы по главе 5 121
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
Библиографический список 128
Приложение 1 144
Актуальность темы.
В строительной индустрии керамический кирпич занимает одно из лидирующих мест в области использования стеновых конструкционных материалов. Керамический кирпич и другие виды строительной керамики были и остаются долговечными и надежными строительными материалами. Повышение качества кирпича и других видов керамики путем использования природных глин и техногенного сырья является в настоящее время актуальной задачей. Одним из перспективных направлений модифицирования состава керамической шихты для получения керамического кирпича является использование техногенных металлургических отходов, позволяющих улучшить прочностные характеристики, износостойкость и долговечность строительного кирпича. Исследования по совершенствованию составов и технологии керамических материалов с использованием непластичных техногенных отходов являются актуальными.
Работа выполнена в рамках проекта грантовой поддержки Российского фонда фундаментальных исследований № 20-79-10102 и при поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования FEMN- 2023-0003.
Степень разработанности темы диссертационного исследования
В решение вопросов получения керамических материалов с использованием техногенных отходов внесли свой вклад многие ученые: В.М. Погребенков, В.В. Верещагин, Т.В. Вакалова, А.Ю. Столбоушкин, С.В. Федосов, Л.А. Орлова, В.В. Дубинецкий, В.А. Гурьева, А.Е. Бурученко, С.А. Шахов, А.Д. Шильцина, В.Д. Котляр, Н.Д. Яценко, Н.А. Бабак, Л.Л. Масленникова, Liu Han-Qiao, B. Angjusheva, Pei Dejian, V.G. Karayannis, R. Sokolar и др. Проведенные исследования показывают высокую эффективность применения техногенных отходов в качестве сырья при производстве керамических строительных материалов. Они обеспечивают повышение эксплуатационных качеств керамических материалов в сравнении с изделиями, получаемыми с использованием традиционных сырьевых материалов. Однако, исследования, касающиеся применения кальцийсодержащих металлургических отходов для получения строительной анортитовой керамики, практически не встречаются в научной литературе.
Комплексные исследования кальцийсодержащего сырья в виде техногенных отходов для получения анортитсодержащей строительной керамики с улучшенными физико-механическими показателями в свете последних программ индустриально-инновационного развития страны являются востребованными. Объект исследования.
Строительные керамические материалы на основе композиций из глинистого сырья и непластичных кальцийсодержащих отходов.
Предмет исследования.
Физико-химические процессы формирования фазового состава, структуры и свойств строительной керамики с использованием кальцийсодержащих металлургических отходов в составе шихты.
Цель работы: является разработка составов и технологии получения строительной керамики с анортитовой фазой на основе легкоплавких глин и кальцийсодержащего техногенного сырья.
Для достижения цели решались следующие задачи:
• исследование технологических свойств сырьевых материалов и возможности их применения в составе шихты для получения строительной керамики с анортитовой фазой;
• исследование физико-химических процессов и структурных
превращений при обжиге сырьевых материалов;
• разработка составов и исследование физико-химических процессов при обжиге многокомпонентных смесей, состоящих из глины и кальцийсодержащих металлургических отходов;
• разработка технологии получения строительной анортитсодержащей
керамики, исследование физико-механических характеристик лабораторных образцов и практическая реализация научных результатов.
Научная новизна
• Установлено, что количество синтезируемого анортита при обжиге
керамического материала на основе глины и непластичного сырья при соотношении оксидов в компонентной шихте CaO:Al2O3:SiO2 - 1:2:6 с
содержанием оксида кальция (CaO) в смеси 7 масс.% составляет 18 % масс. При соотношении CaO:Al2O3:SiO2 - 1:2:1,5 количество оксида кальция увеличивается до 17 масс.%, а количество анортита составляет 24 масс. %.
• Установлено, что наличие железосодержащих оксидов в виде FeO, Fe2O3 в количестве 12 % масс. в композициях глины и непластичного сырья снижает температуру спекания на 82 °C по сравнению с глиной и интенсифицирует синтез анортита за счет образования легкоплавких эвтектик.
• Кристаллы анортита размерами 5-20 мкм агломерируются с кристаллами кварца, волластонита и формируют конгломераты в виде кристаллического каркаса, обволакиваемого стеклофазой с образованием керамического изделия прочностью при сжатии 40-44 МПа.
Теоретическая значимость диссертационной работы
Получены новые данные о процессах синтеза анортита при взаимодействии глины и кальцийсодержащего сырьевого компонента в условиях температуры обжига 1050 °C. Развиты представления о получении анортитовой фазы при определенном соотношении компонентов CaO, Al2O3 и SiO2. Разработаны научные положения получения строительных керамических материалов с анортитовой фазой с использованием кальцийсодержащего вторичного сырья.
Практическая значимость диссертационной работы.
• Разработанный состав, содержащий CaO в количестве 6,93 масс.%, с использованием шлама газоочистки конвертерного производства в составе шихты 20 масс.% позволяет получить керамические изделия, содержание анортита в которых составляет 18 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 44 МПа, плотность - 2010 кг/м3, водопоглощение - 8,5 %.
• Разработанный состав, содержащий CaO в количестве 3,29 масс.%, с использованием шлака доменного в составе шихты 20 масс.% обеспечивает получение керамического образца, содержание анортита в котором составляет 13 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 29 МПа, плотность - 2050 кг/м3, водопоглощение - 12 %.
• Разработанный состав, содержащий CaO в количестве 4,49 масс.%, с использованием шлама газоочистки доменного производства в составе шихты 20 масс.% позволяет получить керамический образец, содержание анортита в котором составляет 15 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 35 МПа, плотность - 1990 кг/м3, водопоглощение - 9,6 %.
• Разработаны технологические основы получения строительного керамического кирпича на основе глины и непластичного сырья в виде кальцийсодержащих отходов металлургической отрасли.
• Получен патент на изобретение № 2797169 «Керамический кирпич и способ его получения».
Методология диссертационного исследования
Методология работы основана на рабочей гипотезе, заключающейся в том, что в состав строительной керамики в качестве сырьевого компонента шихты вводится кальцийсодержащее вторичное сырье, обеспечивающее синтез анортита при обжиге.
Исходя из рабочей гипотезы, для обеспечения условий синтеза анортита в фазовом составе керамических материалов были выполнены следующие этапы:
- исследование технологических свойств сырьевых материалов и возможности их использования при производстве строительной керамики с анортитовой фазой;
- исследование физико-химических процессов, протекающих при обжиге глины и кальцийсодержащих металлургических отходов;
- разработка компонентных составов шихты и технологии получения строительной керамики с анортитовой фазой;
- исследование процессов, протекающих при обжиге композиций различных составов и свойств полученных керамических материалов. Методы диссертационного исследования
Для исследования свойств сырьевых компонентов и изготовленных материалов, а также процессов, протекающих при спекании керамических материалов, использовались следующие методы анализа с применением аппаратуры: рентгенофазовый (Shimadzu XRD 6000 в CuK а-излучении), дифференциально-термический (синхронный ТГА/ДТА/ДСК анализатор SDT Q600), растровая электронная микроскопия (система с электронным и фокусированным ионным пучками Quanta 200 3D). Физико-механические свойства строительной керамики определялись согласно требованиям нормативных документов.
Положения, выносимые на защиту:
• Анортит с размерами кристаллов 5-20 мкм обеспечивает формирование структуры с зернами кварца, и кристаллами волластонита с образованием конгломератов в виде кристаллического каркаса, обволакиваемого стеклофазой.
• Синтез анортита в составе строительной керамики в количестве от 18 до 24 % на основе глины и кальцийсодержащего сырья при соотношении оксидов CaO:Al2O3:SiO2, варьирующемся от 1:2:6 до 1:2:1,5, обеспечивает прочность при сжатии кирпича до 44 МПа;
Достоверность результатов исследования
Достоверность основных положений и выводов обеспечивается необходимым объемом статистики, применением современных методов расчета и лабораторного оборудования, обладающих высоким уровнем точности измерений. Результаты проведенных исследований не противоречат данным, представленным в опубликованных научных работах российских и зарубежных ученых.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке цели и задач научного исследования. Лично были проведены исследования по определению физико-механических характеристик, реализована обработка результатов исследования физико - химических свойств керамических материалов и разработаны технологические основы получения анортитсодержащих керамических материалов. Были проведены расчетные и экспериментальные исследования, результаты которых проанализированы, интерпретированы и подготовлены к публикации. Анализ полученных результатов и формулирование выводов проводилось совместно с научным руководителем. При публикации результатов диссертационной работы вклад автора составлял 70 %.
Апробация диссертационного исследования
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной школе-конференции с международным участием для молодых учёных «Функциональные стекла и стеклообразные материалы: Синтез. Структура. Свойства» (г. Томск. 2022 г.), III Международной научно-практической
конференции с международным участием «Актуальные вопросы современного строительства промышленных регионов России» (г. Новокузнецк, 2022 г.),
Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2022 г.), Международной конференции «Gas Dischage Plasmas and Their Applications» (GDP 2021) (г. Томск, 2021 г.), «Современные строительные материалы и технологии» (Калининград, 2021 г.), XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2021).
Публикации
По материалам выполненных исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 7 статей, рекомендованных ВАК, 4 из которых индексируются в базах Scopus.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, заключения, списка литературы из 132 наименований. Работа изложена на 144 страницах текста, содержит 43 рисунка и 35 таблиц.
В строительной индустрии керамический кирпич занимает одно из лидирующих мест в области использования стеновых конструкционных материалов. Керамический кирпич и другие виды строительной керамики были и остаются долговечными и надежными строительными материалами. Повышение качества кирпича и других видов керамики путем использования природных глин и техногенного сырья является в настоящее время актуальной задачей. Одним из перспективных направлений модифицирования состава керамической шихты для получения керамического кирпича является использование техногенных металлургических отходов, позволяющих улучшить прочностные характеристики, износостойкость и долговечность строительного кирпича. Исследования по совершенствованию составов и технологии керамических материалов с использованием непластичных техногенных отходов являются актуальными.
Работа выполнена в рамках проекта грантовой поддержки Российского фонда фундаментальных исследований № 20-79-10102 и при поддержке государственного задания Министерства науки и высшего образования FEMN- 2023-0003.
Степень разработанности темы диссертационного исследования
В решение вопросов получения керамических материалов с использованием техногенных отходов внесли свой вклад многие ученые: В.М. Погребенков, В.В. Верещагин, Т.В. Вакалова, А.Ю. Столбоушкин, С.В. Федосов, Л.А. Орлова, В.В. Дубинецкий, В.А. Гурьева, А.Е. Бурученко, С.А. Шахов, А.Д. Шильцина, В.Д. Котляр, Н.Д. Яценко, Н.А. Бабак, Л.Л. Масленникова, Liu Han-Qiao, B. Angjusheva, Pei Dejian, V.G. Karayannis, R. Sokolar и др. Проведенные исследования показывают высокую эффективность применения техногенных отходов в качестве сырья при производстве керамических строительных материалов. Они обеспечивают повышение эксплуатационных качеств керамических материалов в сравнении с изделиями, получаемыми с использованием традиционных сырьевых материалов. Однако, исследования, касающиеся применения кальцийсодержащих металлургических отходов для получения строительной анортитовой керамики, практически не встречаются в научной литературе.
Комплексные исследования кальцийсодержащего сырья в виде техногенных отходов для получения анортитсодержащей строительной керамики с улучшенными физико-механическими показателями в свете последних программ индустриально-инновационного развития страны являются востребованными. Объект исследования.
Строительные керамические материалы на основе композиций из глинистого сырья и непластичных кальцийсодержащих отходов.
Предмет исследования.
Физико-химические процессы формирования фазового состава, структуры и свойств строительной керамики с использованием кальцийсодержащих металлургических отходов в составе шихты.
Цель работы: является разработка составов и технологии получения строительной керамики с анортитовой фазой на основе легкоплавких глин и кальцийсодержащего техногенного сырья.
Для достижения цели решались следующие задачи:
• исследование технологических свойств сырьевых материалов и возможности их применения в составе шихты для получения строительной керамики с анортитовой фазой;
• исследование физико-химических процессов и структурных
превращений при обжиге сырьевых материалов;
• разработка составов и исследование физико-химических процессов при обжиге многокомпонентных смесей, состоящих из глины и кальцийсодержащих металлургических отходов;
• разработка технологии получения строительной анортитсодержащей
керамики, исследование физико-механических характеристик лабораторных образцов и практическая реализация научных результатов.
Научная новизна
• Установлено, что количество синтезируемого анортита при обжиге
керамического материала на основе глины и непластичного сырья при соотношении оксидов в компонентной шихте CaO:Al2O3:SiO2 - 1:2:6 с
содержанием оксида кальция (CaO) в смеси 7 масс.% составляет 18 % масс. При соотношении CaO:Al2O3:SiO2 - 1:2:1,5 количество оксида кальция увеличивается до 17 масс.%, а количество анортита составляет 24 масс. %.
• Установлено, что наличие железосодержащих оксидов в виде FeO, Fe2O3 в количестве 12 % масс. в композициях глины и непластичного сырья снижает температуру спекания на 82 °C по сравнению с глиной и интенсифицирует синтез анортита за счет образования легкоплавких эвтектик.
• Кристаллы анортита размерами 5-20 мкм агломерируются с кристаллами кварца, волластонита и формируют конгломераты в виде кристаллического каркаса, обволакиваемого стеклофазой с образованием керамического изделия прочностью при сжатии 40-44 МПа.
Теоретическая значимость диссертационной работы
Получены новые данные о процессах синтеза анортита при взаимодействии глины и кальцийсодержащего сырьевого компонента в условиях температуры обжига 1050 °C. Развиты представления о получении анортитовой фазы при определенном соотношении компонентов CaO, Al2O3 и SiO2. Разработаны научные положения получения строительных керамических материалов с анортитовой фазой с использованием кальцийсодержащего вторичного сырья.
Практическая значимость диссертационной работы.
• Разработанный состав, содержащий CaO в количестве 6,93 масс.%, с использованием шлама газоочистки конвертерного производства в составе шихты 20 масс.% позволяет получить керамические изделия, содержание анортита в которых составляет 18 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 44 МПа, плотность - 2010 кг/м3, водопоглощение - 8,5 %.
• Разработанный состав, содержащий CaO в количестве 3,29 масс.%, с использованием шлака доменного в составе шихты 20 масс.% обеспечивает получение керамического образца, содержание анортита в котором составляет 13 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 29 МПа, плотность - 2050 кг/м3, водопоглощение - 12 %.
• Разработанный состав, содержащий CaO в количестве 4,49 масс.%, с использованием шлама газоочистки доменного производства в составе шихты 20 масс.% позволяет получить керамический образец, содержание анортита в котором составляет 15 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 35 МПа, плотность - 1990 кг/м3, водопоглощение - 9,6 %.
• Разработаны технологические основы получения строительного керамического кирпича на основе глины и непластичного сырья в виде кальцийсодержащих отходов металлургической отрасли.
• Получен патент на изобретение № 2797169 «Керамический кирпич и способ его получения».
Методология диссертационного исследования
Методология работы основана на рабочей гипотезе, заключающейся в том, что в состав строительной керамики в качестве сырьевого компонента шихты вводится кальцийсодержащее вторичное сырье, обеспечивающее синтез анортита при обжиге.
Исходя из рабочей гипотезы, для обеспечения условий синтеза анортита в фазовом составе керамических материалов были выполнены следующие этапы:
- исследование технологических свойств сырьевых материалов и возможности их использования при производстве строительной керамики с анортитовой фазой;
- исследование физико-химических процессов, протекающих при обжиге глины и кальцийсодержащих металлургических отходов;
- разработка компонентных составов шихты и технологии получения строительной керамики с анортитовой фазой;
- исследование процессов, протекающих при обжиге композиций различных составов и свойств полученных керамических материалов. Методы диссертационного исследования
Для исследования свойств сырьевых компонентов и изготовленных материалов, а также процессов, протекающих при спекании керамических материалов, использовались следующие методы анализа с применением аппаратуры: рентгенофазовый (Shimadzu XRD 6000 в CuK а-излучении), дифференциально-термический (синхронный ТГА/ДТА/ДСК анализатор SDT Q600), растровая электронная микроскопия (система с электронным и фокусированным ионным пучками Quanta 200 3D). Физико-механические свойства строительной керамики определялись согласно требованиям нормативных документов.
Положения, выносимые на защиту:
• Анортит с размерами кристаллов 5-20 мкм обеспечивает формирование структуры с зернами кварца, и кристаллами волластонита с образованием конгломератов в виде кристаллического каркаса, обволакиваемого стеклофазой.
• Синтез анортита в составе строительной керамики в количестве от 18 до 24 % на основе глины и кальцийсодержащего сырья при соотношении оксидов CaO:Al2O3:SiO2, варьирующемся от 1:2:6 до 1:2:1,5, обеспечивает прочность при сжатии кирпича до 44 МПа;
Достоверность результатов исследования
Достоверность основных положений и выводов обеспечивается необходимым объемом статистики, применением современных методов расчета и лабораторного оборудования, обладающих высоким уровнем точности измерений. Результаты проведенных исследований не противоречат данным, представленным в опубликованных научных работах российских и зарубежных ученых.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке цели и задач научного исследования. Лично были проведены исследования по определению физико-механических характеристик, реализована обработка результатов исследования физико - химических свойств керамических материалов и разработаны технологические основы получения анортитсодержащих керамических материалов. Были проведены расчетные и экспериментальные исследования, результаты которых проанализированы, интерпретированы и подготовлены к публикации. Анализ полученных результатов и формулирование выводов проводилось совместно с научным руководителем. При публикации результатов диссертационной работы вклад автора составлял 70 %.
Апробация диссертационного исследования
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной школе-конференции с международным участием для молодых учёных «Функциональные стекла и стеклообразные материалы: Синтез. Структура. Свойства» (г. Томск. 2022 г.), III Международной научно-практической
конференции с международным участием «Актуальные вопросы современного строительства промышленных регионов России» (г. Новокузнецк, 2022 г.),
Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» (г. Томск, 2022 г.), Международной конференции «Gas Dischage Plasmas and Their Applications» (GDP 2021) (г. Томск, 2021 г.), «Современные строительные материалы и технологии» (Калининград, 2021 г.), XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2021).
Публикации
По материалам выполненных исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 7 статей, рекомендованных ВАК, 4 из которых индексируются в базах Scopus.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, заключения, списка литературы из 132 наименований. Работа изложена на 144 страницах текста, содержит 43 рисунка и 35 таблиц.
Объектом исследования работы являются строительные керамические материалы на основе композиций из глинистого сырья и непластичных кальцийсодержащих отходов.
Научными результатами работы являются утверждения о количестве синтезируемого анортита в количестве 12 % масс при обжиге керамического материала на основе глины и непластичного сырья при соотношении оксидов в компонентной шихте CaO:Al2O3:SiO2 - 1:2:6 с содержанием оксида кальция в смеси 7 % масс. При соотношении CaO:Al2O3:SiO2 - 1:2:1,5 количество оксида кальция увеличивается до 17 масс.%, а количество анортита составляет 24 масс. %. Наличие железосодержащих оксидов в виде FeO, Fe2O3 в количестве 12 % масс. в композициях глины и непластичного сырья снижает температуру спекания на 82 °C по сравнению с глиной и интенсифицирует синтез анортита за счет образования легкоплавких эвтектик. Кристаллы анортита размерами 5-20 мкм агломирируются с кристаллами кварца, волластонита и формируют конгломераты в виде кристаллического каркаса, обволакиваемого стеклофазой с образованием керамического изделия прочностью при сжатии 40-44 МПа.
Практическими результатами работы является следующее: разработанный состав, содержащий CaO в количестве 6,93 масс.%, с использованием шлама газоочистки конвертерного производства в составе шихты 20 масс.% позволяет получить керамические изделия, содержание анортита в которых составляет 12 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 44 МПа, плотность - 2010 кг/м3, водопоглощение - 8,5 %; разработанный состав, содержащий CaO в количестве 3,96 масс.%, с использованием шлака доменного в составе шихты 20 масс.% обеспечивает получение керамического образца, содержание анортита в котором составляет 4 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 29 МПа, плотность - 2050 кг/м3, водопоглощение - 12 %; разработанный состав, содержащий CaO в количестве 5,16 масс.%, с использованием шлама газоочистки доменного производства в составе шихты 20 масс.% позволяет получить керамический образец, содержание анортита в котором составляет 9 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 35 МПа, плотность - 1990 кг/м3, водопоглощение - 9,6 %; разработаны технологические основы получения строительного керамического материала на основе глины и непластичного сырья в виде кальцийсодержащих отходов металлургической отрасли; получен патент на изобретение № 2797169 «Керамический кирпич и способ его получения»
Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в рассмотрении других видов непластичного кальцийсодержащего сырья природного и техногенного характера. Определение предельно допустимых соотношений оксидов CaO:Al2O3:SiO2 для синтеза анортита в составе строительной керамики. Исследование предельного содержания анортита в различных видах строительной керамики: кирпич, плитка, черепица.
Научными результатами работы являются утверждения о количестве синтезируемого анортита в количестве 12 % масс при обжиге керамического материала на основе глины и непластичного сырья при соотношении оксидов в компонентной шихте CaO:Al2O3:SiO2 - 1:2:6 с содержанием оксида кальция в смеси 7 % масс. При соотношении CaO:Al2O3:SiO2 - 1:2:1,5 количество оксида кальция увеличивается до 17 масс.%, а количество анортита составляет 24 масс. %. Наличие железосодержащих оксидов в виде FeO, Fe2O3 в количестве 12 % масс. в композициях глины и непластичного сырья снижает температуру спекания на 82 °C по сравнению с глиной и интенсифицирует синтез анортита за счет образования легкоплавких эвтектик. Кристаллы анортита размерами 5-20 мкм агломирируются с кристаллами кварца, волластонита и формируют конгломераты в виде кристаллического каркаса, обволакиваемого стеклофазой с образованием керамического изделия прочностью при сжатии 40-44 МПа.
Практическими результатами работы является следующее: разработанный состав, содержащий CaO в количестве 6,93 масс.%, с использованием шлама газоочистки конвертерного производства в составе шихты 20 масс.% позволяет получить керамические изделия, содержание анортита в которых составляет 12 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 44 МПа, плотность - 2010 кг/м3, водопоглощение - 8,5 %; разработанный состав, содержащий CaO в количестве 3,96 масс.%, с использованием шлака доменного в составе шихты 20 масс.% обеспечивает получение керамического образца, содержание анортита в котором составляет 4 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 29 МПа, плотность - 2050 кг/м3, водопоглощение - 12 %; разработанный состав, содержащий CaO в количестве 5,16 масс.%, с использованием шлама газоочистки доменного производства в составе шихты 20 масс.% позволяет получить керамический образец, содержание анортита в котором составляет 9 %, со следующими свойствами: прочность при сжатии - 35 МПа, плотность - 1990 кг/м3, водопоглощение - 9,6 %; разработаны технологические основы получения строительного керамического материала на основе глины и непластичного сырья в виде кальцийсодержащих отходов металлургической отрасли; получен патент на изобретение № 2797169 «Керамический кирпич и способ его получения»
Перспективы дальнейшей разработки темы заключаются в рассмотрении других видов непластичного кальцийсодержащего сырья природного и техногенного характера. Определение предельно допустимых соотношений оксидов CaO:Al2O3:SiO2 для синтеза анортита в составе строительной керамики. Исследование предельного содержания анортита в различных видах строительной керамики: кирпич, плитка, черепица.
