Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ДОРОЖНОГО МАТЕРИАЛА (КЕРАМДОРА) НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ РЕСУРСОВ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА

Монтаев С.А. 1 Шингужиева А.Б. 1 Монтаева Н.С. 1
1 Западно-Казахстанский аграрно-технический университет имени Жангир хана
В данной работе представлены результаты научно-экспериментальных работ для получения керамического дорожного материала – керамдора. Проведен литературный обзор предшествующих научных исследований по получению дорожных материалов. Показан сравнительный анализ технологических процессов получения как природных, так и искусственных заполнителей и их физико-механические свойства. Создание новых заполнителей с улучшенными теплоизолирующими свойствами, снижение показателей плотности заполнителей является актуальной задачей развитых стран, так как они направлены на производство высоковостребованного материала во всем мире. Для получения керамдора используются местные сырьевые материалы Западного Казахстана. С учетом физико-механических свойств разработаны компонентные составы на основе лессовидного суглинка в композиции с мелкозернистым песком. Результаты испытания физико-механических свойств керамического материала показали, что с увеличением количества мелкозернистого песка и повышением температуры обжига до 1100 °С наблюдается рост средней плотности и прочностных показателей образцов. Установлены основные закономерности изменения прочности и средней плотности обожжённых образцов керамдора в интервале температур 950–1100 °С. Полученный продукт обладает высокими прочностными характеристиками. Полученные научно-экспериментальные данные служат основой для разработки эффективной технологии производства керамдора по критерию ресурсо- и энергосбережения.
керамдор
обжиг
суглинок
мелкозернистый песок
плотность
прочность
1. Петров В.П. Пористые заполнители из отходов промышленности: монография. Самара: СГАСУ, 2005. С. 90–95.
2. Горин В.М. Высокопрочный керамзит и керамдор для несущих конструкций и дорожного строительства // Строительные материалы. 2010. № 1. С. 9–11.
3. Монтаев С.А. Разработка технологии керамзита с использованием лессовидных суглинков в композиции с бентонитовой глиной // Актуальные проблемы социально-экономического развития прикаспийского региона в условиях инновационной экономики: матер. междунар. конф. Элиста: КГУ, 2012. С. 97–99.
4. Монтаев С.А. Исследование физико-механических свойств легкого заполнителя-керамзита на основе лессовидного суглинка // Современные научные достижения – 2013: матер. междунар. конф. Publishing House «Education and Science». Прага, 2013. С. 84–87.
5. Монтаев С.А., Таскалиев А.Т., Жарылгапов С.М. Технология переработки кремнистой породы опоки для получения искусственного щебня // Новости науки Казахстана. 2013. С. 54–59.

В ряде областей Казахстана (Западно-Казахстанская, Атырауская, Кустанайская и другие области) вследствие геологических особенностей территории отсутствуют прочные каменные материалы. Проведенные маркетинговые исследования по определению спроса щебня на рынке строительных материалов г. Уральска и Западно-Казахстанской области показали, что ежегодный спрос на щебень в данных регионах составляет более 1 млн 200 тыс. т.

В настоящее время Западно-Казахстанская и Атырауская области обеспечиваются щебнем из Актюбинской области, расстояние между ними составляет более 600 км. Например, цена доставки одной тонны щебня в Западно-Казахстанскую и Атыраускую область из Актюбинской области (Мугалджарское месторождение горных пород) увеличивается в 5 раз и более. Экономические расчеты показывают, что транспортировка щебня на расстояние более 70–100 км становится нерентабельной.

Использование больших объемов привозных каменных материалов значительно удорожает в целом строительство, включая дорожное, и вызывает организационные трудности. В таких районах целесообразно применять каменные материалы, полученные по специально разработанным технологиям на основе переработки легкодоступных глинистых пород и крупнотоннажных техногенных ресурсов (различные виды шлаков и зол и т.п.). В строительном материаловедении их относят к искусственным заполнителям (керамзит, термолит), которые по своим физико-механическим свойствам не уступают природным, а по некоторым характеристикам даже превосходят их.

К основным их преимуществам касательно физико-механических свойств относятся такие важные совместимые характеристики, как легкость, относительно высокие прочностные показатели, звуко- и теплоизолирующие свойства по сравнению с традиционными заполнителями, полученными на основе переработки природных твердых горных пород. К числу таких самых распространённых природных твердых горных пород относятся граниты известняки, доломиты и т.п. Заполнители, полученные на основе этих материалов, широко применяется в гражданском, промышленном и дорожном строительстве благодаря высоким прочностным показателям.

Анализ сравнения технологических процессов получения природных и искусственных заполнителей и их физико-механических свойств позволил сделать следующие заключения:

1. Средняя плотность природных заполнителей в виде щебня колеблется в пределах 1400–1800 кг/м3, что относит их к категории тяжелых материалов. Коэффициент теплопроводности у указанных материалов более 2,0 Вт/мК, что свидетельствует об отсутствии теплоизолирующих свойств.

2. Нет возможности регулировать заложенные природой их свойства в сторону снижения средней плотности и повышения теплоизолирующих свойств.

3. Высокая средняя плотность природных заполнителей в виде щебня сильно влияет на логистику. Это означает, что потребитель получает продукт в меньшем объёме, так как транспортные средства загружаются в зависимости от их грузоподъёмности. Например, автотранспорт с объёмом кузова 10 м3 загружается наполовину, так как полная загрузка превышает их грузоподъёмность. В результате потребитель оплачивает полные транспортные расходы за меньший объём привезенного материала.

4. Искусственные заполнители, получаемые на основе природных глинистых пород, имеют преимущества: низкую среднюю плотность (400–1000 кг/м3) и звуко- и теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности таких материалов находится в пределах 0,1–0,8 Вт/мК.

5. Одним из существенных преимуществ технологии получения искусственных заполнителей является возможность проектирования и регулирования свойств конечного продукта путем изменения технологических параметров производства на стадии разработки новых сырьевых составов сырьевых смесей, на стадии дробления, помола и перемешивания композиции путем дополнительного введения модифицирующих добавок, формования, сушки и обжига.

6. Инновационные подходы в области создания искусственных заполнителей – это основа для реализации новых технологических решений и получения материалов с совершенно новыми свойствами, востребованными на внутреннем и внешнем рынке и соответствующими критерию ресурсо- и энергосбережения.

С точки зрения создания отечественных технологий получения искусственных заполнителей, в Казахстане наибольший интерес представляет организация производства керамического дорожного материала (керамдор), представляющего собой искусственный щебень (гравий), получаемый путем обжига гранул глинистых пород во вращающихся печах.

Обзор предшествующих научных исследований, проведенных в мире в области разработки технологии различных заполнителей, показал высокую актуальность данного направления. Даже в развитых странах, таких как США и Япония, странах Европы и СНГ спрос на легкие и прочные заполнители очень высокий в таких отраслях, как промышленное, гражданское и дорожное строительство, строительства мостов и тоннелей и даже в строительстве очистных сооружений.

В США и в ряде стран Западной Европы освоено производство заполнителей, шлаковой пемзы из доменных шлаков. Во Франции и Бельгии построены заводы для производства заполнителей из отходов углеобогатительных фабрик, где обжиг гранул ведут во вращающихся печах. Производительность завода – 1000 м3 заполнителя в сутки. Завод полностью автоматизирован, обжиг ведут 2 оператора. В зависимости от спроса выпускают заполнитель с насыпной плотностью от 300–1000 кг/м3. Все эти технологии взаимосвязаны с предлагаемым подпроектом касательно подготовки сырьевых материалов, дробления, гранулирования и обжига во вращающихся печах.

Подробный анализ исследований в мире показывает, что создание новых искусственных заполнителей вполне можно отнести к актуальной проблеме устойчивого развития стран, так как они направлены на производство высоковостребованного материала во всем мире.

В США и Канаде производят заполнитель из вспученных и диспергированных доменных шлаков по технологии, разработанной фирмой «National Slag» (г. Хамилтон, пров. Онтарио). Объем производства заполнителя, называемого «pelletized slag», составляет около 1 млн м3, и большая часть этой продукции используется для производства штучных стеновых материалов. Бетон на основе этого вида заполнителя используется в несущих стенах и преднапряжённых перекрытиях при строительстве высотных зданий, а также в пролётных строениях мостов. В США несколько заводов производят заполнитель на основе холодно-связанной золы-уноса [1].

Самарскими учеными проведены исследования по разработке технологий получения высокопрочного керамзита и керамдора для несущих конструкций и дорожного строительства. Проведенные испытания показали, что полученная продукция отвечает требованиям соответствующих нормативных документов. Полученный материал обладает плотной спеченной структурой, высокой прочностью и низким водопоглощением [2].

Анализ проведенных исследований показал, что для разработки эффективной технологии производства искусственных заполнителей необходимы глубокие научно-экспериментальные исследования по каждому конкретному случаю использования природных и техногенных ресурсов с учетом их физико-механических свойств и химико-минералогического состава [3–5].

Цель исследования: исследование возможности получения керамического дорожного материала на основе переработки легкодоступных глинистых пород Западно-Казахстанской области (ЗКО).

Материалы и методы исследования

Для решения поставленной цели нами в качестве основного сырьевого материала выбран лессовидный суглинок Чаганского месторождения, а в качестве модифицирующей добавки – мелкозернистый песок месторождения «Меловые горки».

По содержанию Al2O3 суглинок относится к группе кислого сырья, а по огнеупорности ‒ к легкоплавким. По содержанию Fe2O3 относится к сырью с высоким содержанием красящих оксидов.

Песок месторождения «Меловые горки» относится к кварцево-полевошпатовому. Наличие небольшого количества сульфатов свидетельствует о включениях сульфата кальция. По модулю крупности данный песок относится к тонкозернистым пескам.

Основные физико-механические свойства мелкозернистого песка представлены в табл. 1.

Таблица 1

Основные физико-механические свойства мелкозернистого песка

Месторождение песка

Характеристика песка

модуль
крупности

насыпная
плотность, кг/м3

истинная
плотность, г/см3

пустот-ность, %

загрязнен-ность, %

Меловые горки

1,4

1470

2,6

43

0,91

Дальнейшим этапом исследований явилось измельчение суглинка в шаровой мельнице МШЛ-1П, и просеивания песка и суглинка до прохождения через сито 1 мм.

Далее сырьевые материалы взвешивались и дозировались, добавлялась вода. Из подготовленных материалов готовились керамические композиции, компонентные составы которых показаны в табл. 2.

Таблица 2

Компонентные составы керамической композиции

Номер состава

Лессовидный суглинок, %

Барханный песок, %

1

50

50

2

60

40

Из керамической массы формовались гранулы диаметром 5–10, 10–20 мм. Сушка проводилась при комнатной температуре, обжиг сырцовых гранул осуществляли в электрической печи СНОЛ-80/1 при различных температурах: 950, 1000, 1100 °С. После обжига образцы керамдора имели ярко-красный цвет с шероховатой поверхностью (рисунок).

Полученные лабораторные образцы подвергались испытанию по определению физико-механических свойств.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты испытания физико-механических свойств показаны в табл. 3.

Таблица 3

Результаты испытания физико-механических свойств керамдора

Состав

Температура
обжига, °С

Прочности при сдавливании
в цилиндре, кг/см2

Средняя плотность, кг/м3

1

950

800

750

1000

2800

860

1100

4000

880

2

950

780

730

1000

2570

820

1100

3790

840

Как показывают результаты исследований керамдора, с увеличением количества мелкозернистого песка и повышением температуры обжига до 1100 °С наблюдается рост средней плотности и прочностных показателей образцов. Общий вид керамдора при различных температурах обжига представлен на рисунке.

mon1a.tif mon1b.tif mon1c.tif

а) б) в)

Общий вид керамдора при различных температурах обжига: а) при Т 950 °С, б) при Т 1000 °С, в) при Т 1100 °С

В изломе обожжённые образцы керамдора имеют мелкопористую спеченную макроструктуру.

Выводы

Таким образом, установлена реальная возможность получения керамического дорожного материала на основе лессовидных суглинков в композиции с мелкозернистым песком Западно-Казахстанского месторождения. Полученные научно-экспериментальные данные служат основой для разработки эффективной технологии производства керамдора по критерию ресурсо- и энергосбережения.


Библиографическая ссылка

Монтаев С.А., Шингужиева А.Б., Монтаева Н.С. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ДОРОЖНОГО МАТЕРИАЛА (КЕРАМДОРА) НА ОСНОВЕ ПРИРОДНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ РЕСУРСОВ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 10. – С. 29-32;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=12411 (дата обращения: 07.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074