Модификация кирпичных суглинков многослойными углеродными нанотрубками открывает новые перспективы

По данным Росстата и агентства IndexBox, объем производства строительной керамики в России оценивается в 8 млрд штук условного кирпича в год. Годовой оборот глинистого сырья превышает 20 млн тонн. Помимо высокой материалоемкости, производство керамики отличает высокое ресурсо- и энергопотребление: здесь и электроэнергия, расходуемая на технологические цели, и газ для сушки, и обжиг изделий. Поэтому снижение издержек производства и себестоимости стеновой керамики будет стимулировать развитие керамических заводов и повышать их конкурентоспособность.

Отличительной особенностью современного керамического производства является хорошая техническая обеспеченность современных заводов. А одной из основных проблем, которую приходится решать на практике, становится качество исходного глинистого сырья. Массовое применение в отрасли получили малопластичные, высокочувствительные к сушке суглинки. Этот вид сырья широко распространен в России, но его применение влечет за собой появление брака, связанного с образованием сушильных трещин и посечек.

Предварительного вылеживания глины в конусах, а также ее механической активации не всегда достаточно для получения качественного сырья. Поэтому глинистая масса подвергается модификации, в основном высокопластичными глинами, запасы которых ограничены, а месторождения редки и зачастую находятся на приличном расстоянии от кирпичных заводов. Размер плеча по доставке таких модифицирующих добавок на керамический завод зачастую составляет тысячу и более километров, а объем введения подобных добавок в шихту — 5-20%. На каждый процент добавок для завода-шестидесятимиллионника приходится около 1,5-2 тысяч тонн грузоперевозок в год.

Основываясь на результатах собственных исследований, научный коллектив Казанского государственного архитектурно-строительного университета (КГАСУ) под руководством докторов технических наук, профессоров Ляйли Абдрахмановой и Вадима Хозина предложил в качестве альтернативы многотоннажным добавкам модификацию глинистого сырья продуктами малотоннажной строительной химии, в частности поверхностно активными веществами (ПАВ) и наноразмерными добавками. Преимущества предлагаемой технологии — это отказ от разработки нескольких карьеров с одновременным снижением объемов грузоперевозок. Научным коллективом изучено влияние многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) на свойства сырца и черепка керамики. Для решения проблемы распределения наночастиц в матрице модифицируемого материала в качестве диспергирующей фазы используются ПАВ (в нашем случае был применен модификатор фирмы Arkema).

Результаты исследований показаны на примере модификации умеренно пластичного, чувствительного к сушке суглинка 2-го уступа Яушского месторождения Республики Чувашия. Диаграмма Августиника, используемая для определения зависимости между химическим составом глин и их назначением, характеризует исследуемый суглинок как кирпичное сырье. Однако выявленные закономерности подтверждаются и на суглинках других месторождений, в частности Республики Татарстан.

Технический эффект от введения МУНТ в глинистое сырье, помимо улучшения формовочных характеристик глиняного бруса, заключался в повышении прочностных показателей керамики в два с половиной раза. Отмечался и рост плотности черепка, обожженного при 1000 °С.

Разработанные составы прошли промышленную апробацию на ОАО «Чебоксарский завод строительных материалов». Полнотелый керамический кирпич получен способом пластического формования на действующем оборудовании предприятия. Был отмечен рост марочности общестроительного полнотелого кирпича с марки М100 до марок М150 с улучшением внешнего вида изделия после обжига.

На тонну сырья необходимо 10 граммов многослойных углеродных нанотрубок. Если рассматривать «традиционный» одинарный многопустотный кирпич, то стоимость привозных глин оценивается производителем примерно в 20-50 копеек в одном изделии (от 210 до 515 рублей за тонну). Стоимость «наномодификации» оценивается в 10-20 копеек на одинарный многопустотный керамический кирпич при явном улучшении потребительских свойств изделия.

Подробности

Шихта серийного кирпича готовилась из суглинка Яушского месторождения с добавлением в качестве отощающих добавок кварцевого песка в количестве 17% по массе и опилок в количестве 24% по объему. Шихта для модифицированного кирпича готовилась из того же глинистого сырья, но с увеличенным содержанием кварцевого песка в качестве отощителя. Для снижения веса готового изделия также были применены выгорающие добавки — опилки. Сушка сырца проводилась по принятой на предприятии схеме в течение 72 часов при температуре 70 °С, обжиг при температуре 950 °С.

Автор: Андрей БОГДАНОВ, кандидат технических наук