УТИЛИЗАЦИЯ СТЕКЛОБОЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ОБЛИЦОВОЧНОЙ КЕРАМИКИ С ЭФФЕКТОМ САМОГЛАЗУРОВАНИЯ

УТИЛИЗАЦИЯ СТЕКЛОБОЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ОБЛИЦОВОЧНОЙ КЕРАМИКИ С ЭФФЕКТОМ САМОГЛАЗУРОВАНИЯ

Научная статья

Виткалова И.А.¹, Торлова А.С.², Пикалов Е.С.^3, *

¹ ORCID: 0000-0001-9675-6432;

² ORCID: 0000-0002-1622-5584;

³ ORCID: 0000-0001-9380-8014;

^{1, 2, 3} Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия

* Корреспондирующий автор (evgeniy-pikalov[at]mail.ru)

Аннотация

В данной работе представлены результаты исследования возможности применения наиболее распространенных видов стеклобоя в качестве функциональной добавки, являющейся источником стекловидной фазы, для получения лицевых керамических изделий на основе малопластичной глины. Дополнительной добавкой в составе шихты является борная кислота, которая способствует жидкофазному спеканию керамики, а совместно со стеклобоем позволяет получить эффекты самоглазурования поверхности изделий и остекловывания частиц кристаллических фаз в объеме материала. Результаты исследований показывают влияние количества стеклобоя и его химического состава на основные эксплуатационные свойства облицовочной керамики и подтверждают возможность использования разработанного состава шихты для утилизации стеклобоя с получением керамических изделий высокого качества.

Ключевые слова: стеклобой, облицовочная керамика, самоглазурование, малопластичная глина, борная кислота.

RECYCLING CULLET IN THE PRODUCTION OF FACING CERAMICS WITH THE EFFECT OF SELF-GLAZING

Research article

Vitkalova I.A.¹, Torlova A.S.², Pikalov E.S.^3, *

¹ ORCID: 0000-0001-9675-6432;

² ORCID: 0000-0002-1622-5584;

³ ORCID: 0000-0001-9380-8014;

^{1, 2, 3} Vladimir state university named of Alexander Grigorevich and Nikolay Grigorevich Stoletovs, Vladimir, Russia

* Corresponding author (evgeniy-pikalov[at]mail.ru)

Abstract

This article presents the results of a research of the possibility of using the most common types of cullet as a functional additive, which is a source of the vitreous phase, for the production of facing ceramic products based on low-plastic clay. An additional additive in the composition of the charge is boric acid, which promotes liquid-phase sintering of ceramics, and together with cullet allows to obtain the effects of self-glazing of the surface of products and glazing of particles of crystalline phases in the volume of the material. The results of the research show the influence of the amount of cullet and its chemical composition on the main operational properties of facing ceramics and confirm the possibility of using the developed composition of the charge for the disposal of cullet to obtain ceramic products of high quality.

Keywords: cullet, facing ceramic, self-glazing, low-plastic clay, boric acid.

Введение

Стеклобой представляет собой фрагменты изделий и куски стекла, образующиеся при производстве и потреблении стеклянных изделий. С одной стороны, данный вид отходов является ценным вторичным ресурсом и может неограниченное количество раз использоваться в производственных процессах без потери качества и образования побочных продуктов, что позволяет экономить первичные ресурсы. С другой стороны, стеклобой отличается высокой стойкостью к внешним воздействиям (не разлагается, не горит, является химически стойким), поэтому способен накапливаться в больших количествах, для хранения которых необходимы свалки и полигоны [1], [2]. В связи с этим утилизация стеклобоя является важной и актуальной задачей.

Производственный стеклобой практически в полной мере перерабатывается промышленными предприятиями. Переработка стеклобоя, образующегося в процессе промышленного и бытового потребления, за рубежом широко распространена и активно развивается, в то время как в России подобные технологии недостаточно развиты и как следствие доля стеклобоя составляет до 8-10 % от общего количества бытовых отходов. Дополнительные трудности для переработки стеклобоя в нашей стране связаны с недостаточно эффективной системой селективного сбора и сортировки отходов. Следовательно, разработка новых способов утилизации стеклобоя относится к перспективным направлениям исследований [1], [2], [3].

Как и в случае с большинством отходов производства и потребления наиболее перспективным направлением переработки стеклобоя является производство строительных материалов, позволяющее как по отдельности, так и комплексно утилизировать различные отходы в больших количествах.

Авторами данной работы ранее были разработаны технологии и составы сырьевых смесей, которые позволяют получать керамические и полимерные композиционные изделия в форме плиток для наружной и внутренней облицовки стен зданий и сооружений с использованием боя оконного стекла и несортированного боя тарных стекол [3], [4], [5]. Полученные авторами керамические изделия обладали эффектом самоглазурования поверхности и остекловывания в объеме изделий, что позволило получить материал с высокими значениями прочности и морозостойкости [3], [4].

Целью данной работы было исследование возможности использования наиболее распространенных видов стеклобоя в производстве самоглазурующейся облицовочной керамики, соответствующей нормативным требованиям к лицевым керамическим изделиям.

Методы и принципы исследования

Основой шихты для получения облицовочной керамики являлась глина Суворотского месторождения Владимирской области, которая имела следующий состав (в мас. %): SiO₂ = 67,5; Al₂O₃ = 10,75; Fe₂O₃ = 5,85; CaO = 2,8; MgO = 1,7; K₂O = 2,4; Na₂O = 0,7. В соответствии с классификацией по ГОСТ 9169-75 данная глина является малопластичной, поскольку число пластичности, определенное для нее по стандартной методике, равняется 5,2. Следовательно, для получения изделий высокого качества на основе этой глины требуется использование специальных добавок [3].

В качестве флюсующе-упрочняющей добавки в данной работе применялась борная кислота марки B 2-го сорта по ГОСТ 18704-78, содержащая не менее 98,6 мас. % основного вещества. Применение борной кислоты способствует жидкофазному спеканию, обеспечивающему упрочнение керамики и позволяющему совместно с добавками, которые являются источниками стекловидной фазы, получить эффекты самоглазурования и остекловывания [3], [6], [7].

В роли добавок, обеспечивающих образование стекловидной фазы, в данной работе использовались наиболее распространенные виды стеклобоя, усредненный химический состав которых представлен в таблице 1. В качестве боя тарного стекла использовались отходы на основе бесцветного (марка БТ-1), полубелого (марка ПТ-1), зеленого (марка ЗТ-1) и коричневого (марка КТ-1) стекол по ГОСТ Р 52022-2003.

 

Таблица 1 – Химический состав стеклобоя, мас. %

Стекло	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	K2O	Cr2O3
Оконное	73,5	0,9	-	7,4	1,9	11,1	5,2	-
Сортовое	73,5	1,5	-	6,5	2	11,5	1,5	-
Тарное: БТ-1 ПТ-1 ЗТ-1 КТ-1	72,5 72,1 71,4 71,7	2,5 2,8 2,7 2,9	0,1 0,5 0,8 0,5	6,2 6,2 6,2 6,2	4,2 4,2 4,2 4,2	14,0 14,2 14,5 14,5	0,5 - - -	- - 0,2 -

 

При проведении экспериментов использовались фракции глины и стеклобоя предварительно измельченные до размера частиц не более 0,63 мм и высушенные до постоянной массы. Все компоненты шихты в заданных соотношениях перемешивались в сухом состоянии, затем с добавлением 8 мас. % воды. Из полученной однородной массы при удельном давлении прессования 15 МПа формовали образцы облицовочной керамики, которые обжигали при максимальной температуре 1050 ^оС [3].

У образцов исследуемого материала по стандартным для керамики строительного назначения методикам определяли прочность на сжатие (σ_сж, МПа) и изгиб (σ_изг, МПа), водопоглощение (В, %), морозостойкость (М, циклы) и плотность (ρ, кг/м³).

Основные результаты

Ранее при разработке шихты на основе используемой в данной работе малопластичной глины с добавлением борной кислоты и несортированного боя тарных стекол авторами было установлено, что максимальная прочность и минимальное водопоглощение достигаются при введении 2,5 мас. % борной кислоты [3]. В связи с этим в данной работе было использовано аналогичное количество флюсующе-упрочняющей добавки при разном количестве выбранных для исследований видов стеклобоя.

В ходе экспериментов было установлено, что для прочности на сжатие керамики наблюдается аналогичный характер зависимости от количества всех видов применяемого стеклобоя в составе шихты (см. рисунок 1). При этом введение менее 5 мас. % стеклобоя незначительно меняет прочность получаемой облицовочной керамики.

 

Рис. 1 – Зависимость прочности от вида и количества стеклобоя

 

Как видно из представленных данных, при введении от 5 до 20 мас. % стеклобоя происходит наиболее резкое увеличение прочности облицовочной керамики, что связано с заполнением пор и пустот в материале стекловидной фазой, образующейся за счет совместного введения борной кислоты и стеклобоя. При введении от 20 до 30 мас. % стеклобоя прочность керамики увеличивается менее интенсивно, так как при данном количестве исследуемой добавки большинство пор и пустот в материале уже заполнены и происходит увеличение толщины слоев стекловидной фазы между частицами керамики. При введении свыше 30 мас. % стеклобоя прочность керамики начинает снижаться, поскольку толщина слоев стекловидной фазы возрастает настолько, что ее хрупкость и меньшая по сравнению с кристаллическими фазами прочность начинает сказываться на прочности облицовочной керамики.

Отличия в прочности между образцами керамики, полученными с использованием разных видов стеклобоя, связано с химическим составом стекла. Стеклобой, в котором содержание оксидов кремния, алюминия, кальция и магния выше, позволяет достичь более высоких значений прочности керамики, так как указанные оксиды повышают прочность стекловидной фазы [8], [9], [10]. В тоже время содержание в составе стеклобоя оксидов натрия и калия снижает прочность стекловидной фазы [8], [9], [10] и получаемой керамики в целом. Также стоит отметить, что оксид бора, переходящий в состав стекловидной фазы в результате плавления борной кислоты, также повышает прочность стекловидной фазы [8], [9], [10], а, следовательно, и прочность облицовочной керамики.

Зависимости водопоглощения керамики от количества всех видов применяемого стеклобоя в составе шихты также носят практически аналогичный характер (см. рисунок 2).

 

Рис. 2 – Зависимость водопоглощения от вида и количества стеклобоя

 

Как следует из полученных данных, рассматриваемое свойство снижается при увеличении количества стеклобоя в составе шихты. Это, как и в случае с прочностью на сжатие, связано с тем, что образующаяся при обжиге стекловидная фаза, источником которой является стеклобой, заполняет поры и пустоты в объеме материала, а за счет эффекта самоглазурования переводит оставшиеся поры в закрытые, в которые вода проникнуть не может. Спад интенсивности снижения водопоглощения объясняется тем, что после введения свыше 25 мас. % стеклобоя незаполненными стекловидной фазой оказываются только поры, в которые расплав не может проникнуть из-за недостаточно низкой вязкости, поэтому снижение водопоглощения происходит только за счет увеличения доли стекловидной фазы в объеме материала.

Отличия в водопоглощении керамики при использовании разных видов стеклобоя, как и в случае с прочностью, связаны с химическим составом стекол. Стеклобой, в котором преобладают оксиды снижающие вязкость (оксиды кальция, магния, натрия и калия [8], [9], [10]), позволяет получить расплав меньшей вязкости, который может заполнить более мелкие поры, чем расплав, в котором выше содержание оксидов, повышающих вязкость (оксиды кремния и алюминия [8], [9], [10]). Следует отметить, что оксид бора, вводимый в состав стекловидной фазы с помощью борной кислоты, снижает вязкость расплава [8], [9], [10], то есть способствует снижению водопоглощения.

Так как максимальная прочность при сжатии достигается при введении 30 мас. % стеклобоя, при данном количестве добавки были проведены дополнительные исследования основных эксплуатационных свойств керамики, представленные в таблице 2.

 

Таблица 2 – Свойства облицовочной керамики в зависимости от вида стеклобоя

Свойство керамики	Бой оконного стекла	Бой сортового стекла	Бой тарного стекла разных марок
			БТ-1	ПТ-1	ЗТ-1	КТ-1
ρ, кг/м3	2202	2167,2	2025,4	1924,6	1893	1872,8
σсж, МПа	30,2	29,7	29,1	28,6	27,8	28,2
σизг, МПа	6,3	6,2	6,1	6	5,8	5,9
В, %	2,2	2,3	2,4	2,5	2,35	2,55
М, циклы	69	66	63	60	64	59

  Обсуждение

Таким образом, использование различных видов стеклобоя совместно с борной кислотой позволяет получать облицовочную керамику на основе малопластичной глины с высокими значениями плотности, прочности и морозостойкости при низком водопоглощении. При этом существенных отличий в свойствах между образцами керамики, полученной с использованием разных видов стеклобоя не наблюдается. Однако, преобладание оксидов кремния, алюминия, кальция и магния в составе стеклобоя позволяет получать более плотный и прочный материал, а высокие количества оксидов кальция, магния, натрия и калия способствуют получению более низких значений водопоглощения.

Заключение

В результате выполнения данной работы установлено, что на основе малопластичной глины с добавлением борной кислоты в количестве 2,5 мас. % и стеклобоя в количестве 30 мас. % может быть получена облицовочная керамика с эффектом самоглазурования. Прочностных характеристик полученной керамики достаточно для производства лицевых кирпичей и камней, соответствующих маркам М250-М300 по ГОСТ 530-2012. Морозостойкость разработанного материала соответствует маркам не ниже F50, что также соответствует требованиям ГОСТ 530-2012 для лицевых кирпичей и камней.

Следовательно, применение рассмотренных видов стеклобоя в разработанном составе шихты позволяет утилизировать данный вид отходов в больших количествах с получением изделий строительного назначения высокого качества.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Чупрова Л.В. Экологические и экономические аспекты утилизации отходов стекла [Электронный ресурс] / Л.В. Чупрова, О.А. Мишурина // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 11-2 – С. 222–225. – URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=10468 (дата обращения: 16.10.2019).
2. Баратов С.Э. Вторичная переработка стекла в России: взгляд изнутри / С.Э. Баратов // Наука, техника и образование. – 2015. – № 3. – С. 33–35.
3. Шахова В.Н. Получение облицовочной керамики с использованием несортированного боя тарных стекол / В.Н. Шахова, И.А. Виткалова, А.С. Торлова и др. // Экология и промышленность России. – 2019. – № 2. – С. 36–41.
4. Торлова А.С. Разработка энергоэффективной облицовочной керамики на основе местного сырья и стекольного боя / А.С. Торлова, И.А. Виткалова, Е.С. Пикалов и др. // Экология промышленного производства. – 2019. – №3. – С. 22–26.
5. Виткалова И.А. Разработка способа получения облицовочного композиционного материала на основе полимерных и стекольных отходов / И.А. Виткалова, А.С. Торлова, Е.С. Пикалов, О.Г. Селиванов. // Экология промышленного производства. – 2018. – № 3. – С. 2–6.
6. Шахова В.Н. Разработка облицовочного керамического материала с эффектом самоглазурования на основе малопластичной глины / В.Н. Шахова, А.В. Березовская, Е.С. Пикалов и др. // Стекло и керамика. – 2019. – № 1. – С. 13–18.
7. Перовская К.А. Применение полимерных отходов для повышения энергоэффективности стеновой керамики / К.А. Перовская, Д.Е. Петрина, Е.С. Пикалов и др. // Экология промышленного производства. – 2019. – №1. – С. 7–11.
8. Блюмен Л.М. Глазури. – Репр. изд. 1980 г. – М.: ООО «Книга по требованию», 2012. – 171 с.
9. Казьмина О.В. Химическая технология стекла и ситаллов: учебное пособие / О.В. Казьмина, Э.Н. Беломестнова, А.А. Дитц. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 170 с.
10. Постников В.С. Оптическое материаловедение: курс лекций / В.С. Постников. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 280 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Chuprova L.V. Ekologicheskie i ekonomicheskie aspekty utilizacii othodov stekla [Environmental and economic aspects of glass waste recycling] [Electronic resource] / L.V. Chuprova, O.A. Mishurina // Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovanij [International journal of applied and fundamental research]. – 2016. – № 11-2 – P. 222–225. – URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=10468 (accessed: 11.08.2019). [in Russian]
2. Baratov S.E. Vtorichnaya pererabotka stekla v Rossii: vzglyad iznutri [Glass recycling in Russia: an inside look] / S.E. Baratov // Nauka, tekhnika i obrazovanie [Science, technique and education]. – 2015. – № 3. – P. 33–35. [in Russian]
3. Shakhova V.N. Poluchenie oblicovochnoj keramiki s ispol'zovaniem nesortirovannogo boya tarnyh stekol [Receiving of ceramic veneer with the use of unsorted container glass breakage] / V.N. Shakhova, I.A. Vitkalova, A.S. Torlova and others // Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. – 2019. – №2. – P. 36–41. [in Russian]
4. Torlova A.S. Razrabotka energoeffektivnoj oblicovochnoj keramiki na osnove mestnogo syr'ya i stekol'nogo boya [Development of energy efficient facing ceramics based on local raw materials and cullet] / A.S. Torlova, I.A. Vitkalova, E.S. Pikalov and others // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production]. – 2019. – №3. – P. 22–26. [in Russian]
5. Vitkalova I.A. Razrabotka sposoba polucheniya oblicovochnogo kompozicionnogo materiala na osnove polimernyh i stekol'nyh othodov [Development of a method for producing a coating composite material based on polymer and glass waste] / I.A. Vitkalova, A.S. Torlova, E.S. Pikalov and others // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production]. – 2018. – № 3. – P. 2–6. [in Russian]
6. Shakhova V.N. Razrabotka oblicovochnogo keramicheskogo materiala s effektom samoglazurovaniya na osnove maloplastichnoj gliny [Development of Self-Glazing Ceramic Facing Material Based on Low-Plasticity Clay] / V.N. Shakhova, A.V. Berezovskaya, E.S. Pikalov and others // Steklo i keramika [Glass and Ceramic]. – 2019. – № 1. – P. 13–18. [in Russian]
7. Perovskaya K.A. Primenenie polimernyh othodov dlya povysheniya energoeffektivnosti stenovoj keramiki [Application of polymer waste for improvement the energy efficiency of wall ceramics] / K.A. Perovskaya, D.E. Petrina, E.S. Pikalov and others // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production]. – 2019. – №1. – P. 7–11. [in Russian]
8. Blyumen L.M. Glazuri [Glazes]. – Reprint 1980 year. – M.: OOO «Kniga po trebovaniyu», 2012. – 171 p. [in Russian]
9. Kaz'mina O.V. Himicheskaya tekhnologiya stekla i sitallov: uchebnoe posobie [Chemical technology of glass and sitalls] / O.V. Kaz'mina, E.N. Belomestnova, A.A. Ditc. – Tomsk: Izd-vo Tomskogo politekhnicheskogo universiteta, 2011. – 170 p. [in Russian]
10. Postnikov V.S. Opticheskoe materialovedenie: kurs lekcij [Optical Materials Science: Lecture Course] / V.S. Postnikov. – Perm: Izd-vo Perm. nac. issled. politekhn. un-ta, 2013. – 280 p. [in Russian]