Стеновые керамические изделия с использованием алюмосиликатных отходов ТЭС

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 
 

 
 

 
 

 

 
 
 
 
СТЕНОВЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ  

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 

АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ОТХОДОВ ТЭС 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2018 

 

Авторы: И.Ю. Юрьев, Н.К. Скрипникова, Г.Г. Волокитин, 
О.Г. Волокитин, В.В. Шеховцов 
 
УДК 666.712:6227 
ББК 38.3 
 

Стеновые керамические изделия с использованием 
алюмосиликатных отходов ТЭС [Текст] : монография / 
И.Ю. Юрьев, Н.К. Скрипникова, Г.Г. Волокитин, 
О.Г. Волокитин, В.В. Шеховцов. – Томск : Изд-во 
Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2018. – 136 с. 

ISBN 978-5-93057-847-8 

 

В монографии представлены результаты исследований, необходимых 
для научного обоснования, разработки и внедрения в строительную 
отрасль технологии производства стеновых керамических изделий, 
полученных на основе алюмосиликатных отходов ТЭС. 

Предназначена для студентов, магистрантов, аспирантов и специалистов, 
занятых в области технологий в стройиндустрии. 

 

УДК 666.712:6227
ББК 38.3

 
Рецензенты: 
докт. техн. наук, профессор кафедры «Технология силикатов 
и наноматериалов» НИ ТПУ В.И. Верещагин; 
докт. техн. наук, профессор ТГАСУ, директор НИИ СМ 
ТГАСУ Н.О. Копаница. 

 
 
 

ISBN 978-5-93057-847-8
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2018

© Юрьев И.Ю., Скрипникова Н.К.,

Волокитин Г.Г., Волокитин О.Г.,
Шеховцов В.В., 2018

С58

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ..................................................................................................... 5 
1. Современное состояние использования золошлаковых 
отходов ТЭС для получения строительных керамических 
изделий ........................................................................................................ 6 

1.1. Особенности использования ЗШО при получении 
керамических изделий ......................................................................... 10 
1.2. Влияние дисперсности на процессы 
структурообразования и свойства изделий ........................................ 20 
1.3. Физико-химические процессы, протекающие при 
получении обжиговых золокерамических изделий ........................... 26 
1.4. Постановка цели и задач исследования ....................................... 32 

2. Характеристики исходных материалов. Методы 
и методики исследований ...................................................................... 34 

2.1. Выбор объектов исследования ..................................................... 34 
2.2. Методы и методики исследований .............................................. 35 
2.3. Общая характеристика сырьевых материалов ............................ 42 

2.3.1. Характеристика глинистого сырья .................................... 42 
2.3.2. Характеристика зол ТЭС г. Томска и ЗАТО Северск ...... 49 

2.4. Выбор метода и подбор оптимальных режимов 
диспергирования зол ТЭС ................................................................... 53 
2.5. Физико-химические исследования зол ТЭС после помола ....... 58 
2.6. Моделирование структуры золокерамики 
с использованием диспергированных зол .......................................... 64 
2.7. Методика рационального подбора фракционного состава 
с использованием математического метода планирования .............. 67 
2.8. Структурно-методологическая схема работы ............................. 69 

3. Разработка составов и исследование физико-химических 
процессов при получении стеновых золокерамических 
изделий ...................................................................................................... 72 

3.1. Исследование влияния микродисперсных зол ТЭС на 
структуру и технологические свойства сырца ................................... 73 
3.2. Выбор композиций получения золокерамического 
кирпича .................................................................................................. 82 

3.3. Исследование основных свойств золокерамических 
изделий после обжига .......................................................................... 89 

3.3.1. Основные физико-механические свойства 
золокерамических изделий ........................................................... 90 
3.3.2. Физико-химические процессы, происходящие при 
обжиге золокерамических изделий ............................................. 99 

4. Технологические особенности получения керамического 
кирпича с использованием зол ТЭС. Экономическая 
эффективность и экология ................................................................. 107 

4.1. Способы производства стеновых керамических изделий ....... 107 

4.1.1. Сравнительный анализ керамического кирпича, 
полученного разными способами производства ...................... 110 
4.1.2. Технологическая схема производства кирпича 
с использованием диспергированных зол ТЭС ........................ 113 

4.2. Технико-экономические показатели эффективности 
производства керамического кирпича с отходами ТЭС ................. 115 
4.3. Экология ....................................................................................... 120 

Заключение ............................................................................................ 123 
Библиографический список ............................................................... 125 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Современные темпы развития промышленного и гражданского 

строительства сопровождаются увеличением объемов производства 
строительных материалов и изделий различного назначения. Одно из 
ведущих мест на рынке строительных материалов занимает керамическая 
промышленность. Главной проблемой для отрасли является обеспечение 
предприятий высококачественным сырьем, которое невосполнимо 
истощается. В производство керамического кирпича вовлекается 
все больше низкосортного сырья, использование которого без корректирующих 
добавок не позволяет получать изделия с требуемыми характеристиками. 
Одним из решений указанной проблемы может стать использование 
предварительно обработанных алюмосиликатных отходов 
тепловых электростанций. 

В настоящее время на территории страны накоплено порядка 

1,5 млрд т золошлаковых отходов (ЗШО), которые ежегодно пополняются 
на 20–40 млн т. Свойства зол ТЭС и возможности их использования 
в строительной индустрии изучались учеными разных стран на 
протяжении многих лет, но широкое применение исследования не получили. 
Одной из причин этого является то, что характеристики зол по 
химическому и гранулометрическому составу существенно отличаются 
друг от друга даже в условиях одного золоотвала. Такая неоднородность 
сырья требует постоянного изменения режимов его подготовки 
и вариации компонентного состава, что отрицательно сказывается на 
эффективности работы предприятий и свойствах конечного продукта. 

В связи с этим актуальным остается вопрос о комплексном изу-

чении свойств зол ТЭС и способов повышения их технологических 
характеристик для производства стеновых керамических изделий. Одним 
из перспективных направлений в этой сфере является диспергирование 
сырьевых материалов и изучение влияния дисперсности сырья 
на свойства готового продукта. Кроме этого, использование зол 
ТЭС в производстве строительных материалов позволит предотвратить 
негативное воздействие на окружающую среду, а также развивать 
экологически безопасные энергоэффективные технологии. 

 

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  
ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ТЭС ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ  

СТРОИТЕЛЬНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 

Современные темпы развития промышленного и гражданского 

строительства сопровождаются увеличением объемов производства строительных 
материалов и изделий различного назначения и номенклатуры. 

По данным Росстата, в 2012 г. организациями всех форм соб-

ственности построено 826,8 тыс. новых квартир, что на 5,3 % больше, 
чем в 2011 г. В декабре 2012 г. было построено 261,7 тыс. квартир 
против 88,6 тыс. новых квартир в ноябре 2012 г. [1]. 

Проектирование и строительство новых жилых микрорайонов 

многоквартирных домов сводится к созданию современных комплексов, 
представляющих собой архитектурный ансамбль зданий и сооружений 
различной этажности, формы и цветовой гаммы. Кроме этого, 
не стоит забывать о долговечности и энергоэффективности строений. 
Данные требования мотивируют строительную индустрию и научное 
сообщество поиском решений, позволяющих производить материалы 
и изделия, отвечающие запросам рынка. 

Одно из ведущих мест на рынке строительных материалов зани-

мает керамическая промышленность. В настоящее время в России действует 
порядка 400 заводов по производству керамического кирпича 
общей мощностью около 15 млрд шт. усл. кирпича в год [1–3]. 

Главной проблемой для отрасли является обеспечение предпри-

ятий сырьем. Эксплуатируемые карьеры качественного керамического 
сырья истощаются. Вскрытие и разработка новых карьеров является 
дорогостоящим и экологически неблагоприятным мероприятием. 
В производство керамического кирпича вовлекается все больше местного 
и низкосортного сырья. Керамическая промышленность одна из 
немногих может перерабатывать действительно многотоннажные техногенные 
отходы – вскрышные породы угольных, рудных и других 
месторождений, золы ТЭС, отходы углеобогащения и металлургии. 
При этом продукцией отрасли являются экологически чистые изделия. 

Количество накопленных золошлаковых отходов в России раз-

ными исследователями оценивается почти одинаково: в 1999 г. – около 
1,1 млрд т, в 2003 г. – около 1,2 млрд т. Общий объем накопленных 

1. Современное состояние использования золошлаковых отходов ТЭС 

7 

сейчас на территории страны золошлаковых отходов составляет 
1,5 млрд т, из них в европейской части и на Урале – более 60 %. Площадь 
самих отвалов достигла 28 тыс. га. 

На территории г. Томска на двух крупных золоотвалах тепловой 

электростанции ГРЭС-2, находящихся в долинах рек Ушайки и Малой 
Киргизки, на площади 77,5 га накоплено около 4 млн т ЗШО, по состоянию 
на 01.01.2010 г. [3]. 

Количество образующихся ежегодно золошлаковых отходов 

в разных источниках оценивается по-разному – от 25 до 50 млн т. Если 
такая тенденция сохранится, то к 2020 г. объем накопленных зо-
лошлаковых отходов превысит 1,7 млрд т [4–7]. 

Количество используемых золошлаковых отходов ТЭС невели-

ко и составляет: в 1992 г. – 3,2 млн т (6,4 % годового выхода), 
в 1993 г. – 2,1 млн т (4,2 %), в 1994 г. – 2,2 млн т (4,4 %), в 1995 г. – 
1,9 млн т (3,8 %), в 1996 г. – 1,8 млн т (3,6 %), в 1997 г. – 2,1 млн т 
(4,0 %), в 1998 г. – 2,0 млн т (3,9 %), в 2000 г. – 3,0 млн т. В настоящее 
время, по данным ЗАО «АПБЭ», в отрасли утилизируется и используется 
всего 8 % золошлаков, или около 4,5–5,1 млн т в год [5, 7, 8]. 

Уровень утилизации золошлаковых отходов в ряде развитых 

стран – около 50 %, во Франции и Германии – 70 %, а в Финляндии – 
около 90 % их текущего выхода. В этих странах применяются в основном 
сухие золы и проводится государственная политика, стимулирующая их 
использование. Так, в Польше резко повышена цена на землю под золоотвалы, 
поэтому ТЭЦ доплачивают потребителям с целью снизить собственные 
затраты на их складирование. В Китае золы доставляются потребителям 
бесплатно, а в Болгарии сама зола бесплатна. В Великобритании 
действуют пять региональных центров по сбыту зол [9]. 

Разнообразие состава и свойств зол ТЭС предопределяет ком-

плексное решение проблемы их использования в производстве строительных 
изделий с получением высококачественной продукции. 

Применение зол в производстве строительных материалов разви-

вается не один десяток лет в основном по следующим направлениям: использование 
вяжущих свойств золы (в этой области проведены широкие 
исследования советскими учеными П.П. Будниковым, П.И. Боженовым, 
Ю.Н. Буттом, А.В. Волженским, Н.А. Поповым и др.), применение зол 
в ячеистых бетонах и в производстве силикатного кирпича (работы 

Стеновые керамические изделия 

8 

А.Т. Баранова, П.И. Боженова, Г.А. Бужевича, К.Э. Горяйнова, А.Н. Крашенинникова 
и др.), развитие производства пористых заполнителей для 
легких бетонов различного назначения [10–12]. 

Немалый вклад в изучение использования непластичного сырья 

различной природы в керамической промышленности внесен учеными 
А.Д. Шильциной, В.И. Верещагиным, С.Ж. Сайбулатовым и др. [13–15]. 

Одним из наиболее крупномасштабных и перспективных потреби-

телей зол может стать промышленность стеновых керамических изделий. 
Применение керамических материалов для возведения стен обеспечивает 
сочетание долговечности, высоких теплозащитных свойств, оптимального 
влажностного режима ограждающих конструкций и, соответственно, 
высокие качественные характеристики микроклимата в помещениях. 
Многовековая история строительства и эксплуатации зданий из керамического 
кирпича в Европе и Азии со всей очевидностью это подтверждает. 
Строители России также всегда высоко ценили преимущества керамических 
материалов, а производители неустанно работали и продолжают 
работать по сей день над их совершенствованием. 

Синтез и разработка технологий новых материалов являются 

одними из главных задач современного материаловедения. В настоящее 
время, благодаря прогрессу в фундаментальных областях науки, 
особенно в физике твердого тела, резко расширились возможности 
получения материалов на основе неорганических стекол, обладающих 
комбинацией различных свойств. Одним из важнейших открытий 
в химии и технологии такого древнего материала, как стекло, является 
создание нового класса материалов – ситаллов (стеклокристаллических 
материалов), получаемых путем кристаллизации определенных 
составов неорганических стекол. 

Стеклокристаллические материалы – это синтетические неорга-

нические материалы на силикатной основе, которые по своим свойствам 
сопоставимы, а часто и превосходят натуральные камни. Их 
цветовая гамма и текстура могут варьироваться в необычайно широком 
диапазоне, значительно перекрывающем спектр природных декоративных 
минералов. 

Из стеклокристаллических материалов можно изготавливать изде-

лия методами литья (из расплава), прессования, проката. В этом их большое 
преимущество перед природными и синтетическими кристаллами [4]. 

1. Современное состояние использования золошлаковых отходов ТЭС 

9 

Стеклокристаллические материалы относятся к новому классу 

соединений. Ситаллы имеют микрокристаллическую структуру, обладают 
рядом ценных свойств и открывают широкие перспективы использования 
их в строительной индустрии. Свойства стеклокристаллического 
материала обусловлены свойствами образовавшейся в нем 
кристаллической фазы и остаточной стекловидной, которые и образуют 
стеклокристаллический материал. Вид кристаллической фазы 
и конечные свойства стеклокристаллического материала можно регулировать 
исходным составом сырья и термообработкой. Таким методом 
можно изготовить практически неограниченное количество стеклокристаллического 
материала с комбинацией различных свойств. 
Микронеоднородная структура ситаллов, являющихся композиционными 
материалами, позволяет путем направленного подбора кристаллических 
фаз (основных и примесных) и стеклофазы получать материалы 
с необычной комбинацией физико-химических свойств. 

Изготовление стеклокристаллических материалов основано, 

прежде всего, на умении создать большое число зародышей (центров 
кристаллизации) с равномерным распределением их в объеме стекло-
фазы. При повышении температуры рост зародышей продолжается до 
размера 0,1–1 мкм, пока кристаллическая фаза не займет от 50 до 
100 % первоначального объема стекла. 

Направленная кристаллизация не только дает возможность кон-

тролировать процесс фазовых превращений, но и позволяет в течение 
этого процесса сохранять требуемую вязкость поликристаллического 
материала с остаточной стеклофазой, не допуская деформации изделия. 

Исследования в области стеклокристаллических материалов 

привели не только к получению материалов с уникальными свойствами, 
но и оказали стимулирующее влияние на развитие науки о стекле, 
т. к. вскрыли богатейшие возможности использования специфики 
стеклообразного состояния. В связи с этим значительное развитие получили 
исследования фазовых переходов в стеклах – кристаллизации 
и метастабильной ликвации [6]. 

За последние годы опубликовано значительное число работ по 

различным аспектам синтеза и технологии, а также по свойствам 
и применению стеклокристаллических материалов [7–10]. Стеклокристаллические 
материалы перспективны прежде всего тем, что их по-

Стеновые керамические изделия 

10 

лучают из традиционного и техногенного силикатного сырья и в ходе 
технологического процесса превращают в изделия с уникальными 
свойствами. Это позволяет экономить дефицитные классические материалы, 
синтезировать качественно новые материалы, создавать 
функционально более совершенные изделия, разрабатывать новые 
технологии и высокоэффективные конструктивные решения. 

В качестве сырьевых материалов для изготовления стеклокри-

сталлических материалов используют: доменный шлак – для получения 
шлакоситаллов; различные горные породы (базальты, сланцы 
и т. д.), нефелиновый концентрат – для получения петроситаллов; зо-
лошлаковые отходы – для получения золоситаллов [5]. Производство 
стеклокристаллических материалов – самостоятельное направление 
технологии, основанное на специфическом технологическом процессе – 
направленной кристаллизации [6]. 

 
 
1.1. Особенности использования ЗШО  

при получении керамических изделий 

Большое значение в производстве изделий стеновой керамики 

придается повышению качества вырабатываемых изделий и улучшению 
технико-экономических показателей производства, в первую очередь 
снижению себестоимости продукции, уменьшению материалоемкости 
и удельных расходов топлива. Эти задачи решаются, в частности, 
на основе использования в качестве добавки в сырьевую смесь на кирпичных 
заводах местных топливосодержащих отходов ТЭС [16, 17]. 

Комплексные исследования по разработке и освоению техноло-

гии керамических стеновых изделий с использованием зол ТЭС, 
названных «Золокерам» [18, 19], были осуществлены Алматинским 
НИИстромпроектом. За основу разработанной технологии принят 
пластический способ формования с использованием в качестве пластифицирующей 
добавки глиняного порошка. Особенность технологии 
производства золокерамических изделий заключается в тщательной 
переработке зологлиняной смеси, формовке пластическим способом 
при глубоком вакууме (не ниже 0,8 кПа) и термообработке 
с изотермической выдержкой в области оптимальных температур вы-

1. Современное состояние использования золошлаковых отходов ТЭС 

11 

горания углерода, содержащегося в золе. Исследования определили 
закономерности тепломассообмена и изменения термических свойств 
зологлиняных смесей в зависимости от характеристик компонентов, 
их соотношения и многого другого. Разработан новый режим сушки 
золокерамических стеновых материалов, сокращенный вдвое по сравнению 
с режимом сушки глиняного кирпича. Рассчитанные по принципам 
теории подобия, рациональные режимы обжига золокерамиче-
ских стеновых материалов позволяли в 2–3 раза сократить расход технологического 
топлива в промышленных условиях. Результаты 
физико-механических испытаний кирпича показали, что в зависимости 
от состава шихты изделия, полученные в промышленных условиях, 
имеют предел прочности при сжатии 10–21 МПа, при изгибе –  
2,5–7,5 МПа, плотность – 1300–1600 кг/м3, водопоглощение – 15–25 %, 
морозостойкость – не менее 50 циклов. 

Вышеописанная технология применения зольных отходов была 

успешно внедрена на предприятии ОАО «Тольяттинский кирпичный 
завод» [20]. Золошлаковая смесь состояла примерно из 70 % средне-
дисперсной золы и 30 % шлаковых включений, представленных стеклом 
в виде крупнозернистых гранул неправильной формы черного 
и зеленого цветов со стекловидным блеском, размерами от 0,5 до 
10 мм. Озоленная зола с содержанием остаточного топлива около 
12 % была получена на Томском кирпичном заводе путем прокаливания 
ее в промышленной туннельной печи производства. В процессе 
внедрения использовались зола, золошлак и озоленная зола. По внешнему 
виду золокерамический кирпич имел цвет от светло-желтого до 
коричневого. Физико-механические испытания показали, что осваиваемое 
производство позволяет получать золокерамические стеновые материалы 
высокого качества. Из шихты (зола:глина в соотношении 
70:30) получен эффективный кирпич марок М125–150, условно-
эффективные и рядовые изделия марок М100–175 получены из шихты 
состава: зола или золошлак 50 %, глина 50 %. Средняя плотность изделий 
колеблется от 1290 до 1880 кг/м3 в зависимости от их состава и вида. 
Сравнительный расчет показывает, что при внедрении технологии 
золокерамических стеновых материалов на производстве № 2 ОАО 
«Тольяттинский кирпичный завод» при мощности 26 млн шт. усл. кирпича/
год имеет значительный годовой экономический эффект. 

Стеновые керамические изделия 

12 

В Братском государственном техническом университете разрабо-

таны стеновые керамические материалы пониженной средней плотности 
на основе композиции высококальциевой золы с микрокремнезе-
мом [21, 22]. Учеными получены материалы с комбинированной, дифференцированной 
по размерам пористостью путем последовательной 
поризации структуры на этапах изготовления материала за счет применения 
различных способов создания поровой структуры. Данные материалы 
с составом: высококальциевая зола-унос – 65 %, микрокремне-
зем – 35 % и эмульсия талового пека окисленного гипохлоритом 
натрия – 32 % – изготовлены способом вибропрессования на линии 
«РИФЕЙ-УНИВЕРСАЛ» с последующей термообработкой в условиях 
Братского керамического завода, соответствуют марке М100 по прочности 
на сжатие и марке F25 по морозостойкости, средняя плотность 
составляет 1230 кг/м3, теплопроводность – 0,57 Вт/(м°С). 

Существенный интерес представляет технология производства 

золокерамических материалов наполненной каркасно-сотовой структуры [
23]. Данная разработка представлена учеными из Национальной 
академии природоохранного и курортного строительства. Суть технологии 
заключается в получении гранул из золы ТЭС методом гранулирования, 
нанесения на полученные гранулы тонкого слоя глинистого 
компонента, содержащего добавку-плавень, полусухого прессования 
изделий и их последующего обжига. Внутренняя структура 
образцов представляет собой прочный керамический каркас, который 
образует замкнутые ячейки-соты, заполненные золой. Механическую 
нагрузку при механических испытаниях образцов воспринимает керамический 
каркас. Этот каркас в основном определяет механическую 
прочность образцов. Толщину стенок каркаса регулировали путем варьирования 
в тарельчатом грануляторе времени накатки глиняного 
порошка с добавкой стеклобоя на поверхность зольных гранул. Средний 
размер ячеек-сот образцов составлял 5–7 мм. По предлагаемой 
технологии могут быть получены золокерамические материалы, соответствующие 
марке кирпича М150–М200. Оптимальная толщина стенок 
каркаса находится в пределах 1–1,5 мм. Кроме того, снижена температура 
обжига на 70–100 °С по сравнению с температурой обжига 
золокерамических изделий, изготавливаемых обычным смешиванием 
компонентов [24].