Керамические стеновые материалы на основе некондиционного сырья

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 

высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 
 

 

 
 

 
 
 
 
 
 
 

КЕРАМИЧЕСКИЕ СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ  
НА ОСНОВЕ НЕКОНДИЦИОННОГО СЫРЬЯ 

 
 
 
 
 

 
 
 

 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2020 

Авторы: В.А. Власов, Н.К. Скрипникова, В.В. Шеховцов, 

О.Г. Волокитин, М.А. Семеновых, Г.Г. Волокитин, М.Л. Тогидний 
 
УДК 666.263.2:533.9
ББК 38.3

К36

 
 

Керамические стеновые материалы на основе некон-

диционного сырья : монография / В.А. Власов, Н.К. Скрипни-
кова, В.В. Шеховцов, О.Г. Волокитин, М.А. Семеновых, Г.Г. Волокитин, 
М.Л. Тогидний. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-
строит. ун-та, 2020. – 144 с. – Текст : непосредственный. 

ISBN 978-5-93057-948-2 
 
В монографии представлены результаты исследований, необходимых 

для научного обоснования, разработки и внедрения в строительную отрасль 
технологии производства стеновых керамических изделий, полученных на 
основе алюмосиликатных, карбонатных и некондиционных частиц. 

Предназначена для студентов, магистрантов, аспирантов и специали-

стов, занятых в области технологий в стройиндустрии. 

 

УДК 666.263.2:533.9
ББК 38.3

 

Рецензенты: 
докт. техн. наук, профессор Научно-образовательного центра 
Н.М. Кижнера В.И. Верещагин; 
докт. техн. наук, профессор кафедры аналитической химии 
Томского государственного университета В.И. Отмахов. 
 
 

ISBN 978-5-93057-948-2
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2020

© Власов В.А., Скрипникова Н.К.,

Шеховцов В.В., Волокитин О.Г.,
Семеновых М.А., Волокитин Г.Г.,
Тогидний М.Л., 2020

К36

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение............................................................................................ 5 
1. Состояние и перспективы развития производства 
строительных изделий в современных условиях ..................... 6 

1.1. Проблемы отечественной сырьевой базы 
для получения строительных керамических изделий ............... 7 
1.2. Технологические особенности получения 
керамических изделий на основе отходов ................................ 13 
1.3. Физико-химические процессы, протекающие 
при введении отходов и формировании изделий ..................... 23 
1.4. Постановка цели и задачи исследования ........................... 28 

2. Физико-химические характеристики 
некондиционных сырьевых материалов ................................. 30 

2.1. Глинистое сырье ................................................................... 30 
2.2. Некондиционные сырьевые материалы ............................. 36 

2.2.1. Флотационные отходы угледобывающей 
промышленности .................................................................... 36 
2.2.2. Отходы горючих сланцев ............................................. 41 
2.2.3. Алюмосиликатное некондиционное сырье ................ 45 
2.2.4. Алюмосиликатные зольные микросферы .................. 54 

3. Физико-химические процессы, протекающие  
при получении матрицы керамических материалов  
в зависимости от исходного состава дисперсных частиц ..... 61 

3.1. Оптимизация компонентного состава для получения 
обжиговых керамических матриц ............................................. 62 

3.1.1. Исследование физико-механических 
характеристик керамической матрицы в зависимости  
от состава дисперсной фазы карбонатного  
и флотационного сырья .......................................................... 68 
3.1.2. Исследование физико-механических  
характеристик керамической матрицы в зависимости  
от состава дисперсной фазы зольного сырья ....................... 73 

3.1.3. Исследование физико-механических 
характеристик керамической матрицы в композиции 
с микросферами ...................................................................... 84 

3.2. Исследование физико-химических процессов, 
протекающих при получении керамических образцов ........... 88 

3.2.1. Исследование физико-химических процессов, 
протекающих при получении керамических образцов  
с использованием флотационных отходов ........................... 89 
3.2.2. Исследование фазовых процессов, протекающих  
при получении керамических образцов 
с использованием карбонатных отходов .............................. 94 
3.2.3. Исследование фазовых процессов, протекающих  
при получении керамических образцов 
с использованием микродисперсных зол ТЭС .................. 100 
3.2.4. Исследование фазовых процессов, протекающих  
при получении керамических образцов 
с использованием остеклованных микросфер ................... 107 

4. Исследование технологических параметров 
получения обжиговых стеновых материалов 
с использованием отходов теплоэнергетики ......................... 113 

4.1. Способы производства стеновых керамических 
материалов с использованием отходов теплоэнергетики ..... 113 
4.2. Производство строительных керамических  
материалов с использованием флотационных отходов ........ 116 
4.3. Технология производства керамических кирпичей  
с использованием карбонатных отходов ................................ 121 
4.4. Технология производства керамических кирпичей  
с использованием зол ТЭС ....................................................... 124 
4.5. Технология производства керамических кирпичей  
с использованием остеклованной микросферы ..................... 128 

Заключение .................................................................................. 132 
Библиографический список...................................................... 133 
 

ВВЕДЕНИЕ 

В условиях современной экономики для насыщения рынка 

отечественными товарами, доступными для массового потребления, 
с целью экономии ресурсов дефицитного высококачественного 
сырья и сокращения транспортных расходов на его доставку 
необходимо осваивать новые месторождения, а также исследовать 
неиспользовавшиеся ранее разведанные и вовлекать их в производство 
керамики различного назначения. 

В последнее время уделяется большое внимание совершенство-

ванию технологии производства керамических стеновых изделий, 
внедрению в технологический процесс нетрадиционного и техногенного 
сырья. В то же время такому виду сырья, как отходы горючих 
сланцев, отходы углеобогащения, золошлаковые отходы, называемые 
в дальнейшем некондиционным сырьем, не уделяется должного внимания. 
Накопление запасов техногенных продуктов производства при 
уменьшении качественного природного сырья делает актуальной 
проблему утилизации отходов. Известно о скоплении нескольких 
миллиардов тонн углеродсодержащих отходов и отходов горючих 
сланцев, количество которых из года в год увеличивается. 

Проблема утилизации отходов является актуальной задачей. 

Решение этой проблемы предполагает разработку эффективных 
технологий за счет комплексного использования сырья, что одновременно 
приводит и к ликвидации крупнотоннажных отвалов отходов. 
Одним из экономически выгодных направлений использования 
некондиционного сырья является получение на его основе 
керамических изделий с высокими эксплуатационными свойствами, 
удовлетворяющими требованиям ГОСТ. Эффективность утилизации 
отходов производства по территориальному принципу будет 
способствовать созданию технологий по получению строительных 
материалов различного назначения. 

Работа выполнена при поддержке государственного задания 

Министерства науки и высшего образования РФ FEMN-2020-0004. 

 

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ  
ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ  

В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ 

Развитие промышленного и гражданского строительства 

обусловливает необходимость увеличения производства и применения 
экологически чистых, конкурентоспособных и в то же 
время недорогих стеновых и облицовочных керамических изделий. 
Поэтому перед предприятиями  производителями кирпича  
стоит проблема улучшения качества стеновой керамики 
и расширения ее ассортимента. 

Наметившееся наращивание объемов производства кера-

мических строительных материалов подтверждает перспективы 
развития керамической промышленности, а расширение ассортимента 
керамических строительных материалов и их конкурентоспособность 
на внутреннем рынке обусловливают перспективы 
их использования [1]. 

Керамическая промышленность является старейшей под-

отраслью промышленности строительных материалов России. 
За годы экономических преобразований в структуре керамической 
промышленности произошли серьезные изменения [2]. 

Одним из перспективных направлений в строительстве 

является использование нетрадиционных сырьевых материалов 
при получении стеновых керамических изделий. Проблема 
утилизации отходов является актуальной задачей нашего времени. 
Решение этой задачи предполагает разработку эффективных 
технологий за счет комплексного использования сырья, 
что одновременно приводит и к ликвидации крупнотоннажных 
отвалов отходов. 

Развитие любой отрасли производства неразрывно связано 

с увеличением количества отходов, расширением площадей 
промышленных свалок и ухудшением экологической обстанов-

1. Состояние и перспективы развития 

7 

ки. Закономерно, что пропорционально растет актуальность 
проблемы утилизации этих отходов [3]. 

С активным переходом на эффективные технологические 

материалы номенклатура производства керамических изделий 
в ближайшем будущем будет расширяться. 

 
 
1.1. Проблемы отечественной сырьевой базы  

для получения строительных керамических изделий 

В настоящее время керамические материалы, и особенно 

кирпич, стали товаром многоцелевого назначения. Главным 
направлением развития керамической промышленности России 
в ближайшие годы должны стать: расширение номенклатуры 
выпускаемой продукции и повышение ее качества. 

По экспертным оценкам строительство из мелкоштучных 

стеновых материалов становится преобладающим как в малоэтажном, 
так и в многоэтажном строительстве и составляет более 
50 % в общем объеме вводимого жилья. Однако на рынке 
мелкоштучных стеновых материалов с керамическим кирпичом 
и блоками конкурируют силикатный кирпич, ячеисто-бетонные, 
керамзитобетонные и другие материалы, производители которых 
ведут успешную техническую и маркетинговую политику. 
В результате на рынке керамическому кирпичу приходится потесниться, 
в некоторых регионах – весьма существенно. 

Традиционно для изготовления керамического кирпича 

различного назначения используют природные сырьевые материалы 
в сочетании с отощающими добавками и плавнями [4, 5]. 

Сырьевые материалы, используемые при производстве 

строительной керамики, можно разделить на две группы: пластичные (
каолины и глины) и непластичные (каменистые) материалы, 
которые добавляются для регулирования технологических 
свойств керамической массы. 

Керамические стеновые материалы на основе некондиционного сырья 

8 

Используемые в керамическом производстве непластич-

ные материалы в зависимости от характера действия разделяют 
на отощающие материалы (кварцевый песок, шамот) и плавни. 
Универсальным плавнем в технологии керамики, производстве 
глазурей и эмалей выступают полевошпатовые материалы, которые 
на первых этапах процесса действуют как отощающие 
компоненты, а при достижении температуры размягчения 
(1150–1350 °С) как плавни, способствуя образованию стекловидной 
фазы [6]. Однако использование полевых шпатов ведет 
к удорожанию готовых керамических изделий. Также не установлены 
физико-химические процессы, протекающие при термической 
обработке строительных керамических изделий. 

В роли отощающих добавок могут использоваться твердые 

побочные продукты и отходы производств, которые при введении 
в состав керамических масс, в зависимости от свойств глинистого 
компонента, могут выполнять различные функции. Они 
могут улучшать сушильные и усадочные свойства, интенсифицировать 
процессы спекания, способствовать повышению прочности 
и термостойкости материала и т. д. [7]. 

В связи с увеличением потребности в строительном кирпи-

че требуется и улучшение его технико-экономических свойств, 
зависящих в основном от структуры фазового состава обожженной 
керамики [6]. 

Одной из проблем является то, что во многих регионах 

страны на сегодняшних день наблюдается дефицит качественного 
глинистого сырья. Предприятия по выпуску керамических 
стеновых изделий вынуждены вовлекать в производство сырье, 
обладающее неудовлетворительными керамическими свойствами, 
в силу чего усложняется технология изготовления, возникает 
потребность ввода добавочных материалов, что в совокупности 
негативно отражается как на качестве, так и на стоимости 
конечного продукта [8]. 

1. Состояние и перспективы развития 

9 

Однако, ввиду отсутствия высококачественных глин, 

в производство вовлекаются суглинки, различные промышленные 
отходы. Для получения качественного кирпича из такого 
сырья необходимо всестороннее его изучение, подбор составов, 
отработка режимов подготовки и переработки сырья, 
а также режимов сушки и обжига [6]. Это обусловливает высокую 
актуальность разработки новых эффективных способов, 
обеспечивающих выпуск конкурентоспособной продукции на 
основе ресурсосбережения и обеспечения высокого качества 
кирпича при применении запесоченных глин, суглинков отходов 
производств [9]. 

На сегодняшний день сырьевая база отрасли становится 

острой проблемой, которая постоянно усложняется в связи 
с отсутствием резервных месторождений глин для производства 
кирпича. 

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 ТЭЦ, 
отходы углеобогащения и металлургии. При этом продукцией 
отрасли являются экологически чистые изделия. 

Современное 
производство 
строительных 
материалов 

и изделий невозможно представить без новых и эффективных 
научно-технологических решений в данной области. Поэтому 
строительная керамика должна отвечать требованиям экологии, 
ресурсосбережения, экономики и дизайна [10]. 

Особенность современной базы керамического сырья  ис-

тощение общих запасов высококачественных глин и каолинов, 
что обусловливает вынужденное вовлечение в производство 

Керамические стеновые материалы на основе некондиционного сырья 

10 

низкосортных местных глинистых пород, достаточная обеспеченность 
которыми определяет их важность для развития производства 
керамики. 

Особую актуальность приобретают вопросы расширения 

областей использования некондиционного пластичного сырья, 
а также непластичного природного силикатного сырья и техногенных 
отходов в производстве строительных керамических материалов [
11, 12]. 

По характеру действия в керамических массах непластич-

ные силикатные добавки природного и техногенного происхождения 
условно разделены на добавки: осветляющие, армирующие-
упрочняющего действия (кальций-, магнийсиликатное сырье  
волластонитовые и доломитовые породы) и цветонесущие 
добавки  отходы промышленного производства [6]. 

Что касается отечественной сырьевой базы для строитель-

ной керамики, то для Западно-Сибирского региона характерен 
недостаток каменистых материалов. Кроме того, в большинстве 
случаев местным глинам и суглинкам свойственен сложный вещественный 
состав, с доминированием монтомориллонита в тонкодисперсной 
части, что определяет трудности использования 
такого сырья в пластических технологиях и обусловливает необходимость 
корректировки составов керамических масс с использованием 
как природного непластичного сырья, так и промышленных 
отходов [13]. 

Отсутствие запасов отечественных высококачественных 

глин приводит к тому, что в производство вовлекается низкосортное 
местное сырье. Как правило, из такого сырья сложно 
получить строительный кирпич высокой марки. Повысить прочностные 
характеристики такого кирпича можно, используя си-
ликатсодержащее сырье. 

Производство строительных материалов, в том числе ке-

рамических стеновых материалов, относится к материально- 
и энергоемким отраслям. Поэтому значение имеет экономич-

1. Состояние и перспективы развития 

11 

ное расходование всех видов используемого сырья, топлива, 
электрической и тепловой энергии, вспомогательных материалов. 
От систематического и настойчивого сокращения расхода 
материально-технических ресурсов на единицу продукции во 
многом зависят объем производства, уровень использования 
мощностей, основные показатели хозяйственной деятельности 
предприятий [6]. 

Пути рационального использования сырьевых и топливно- 

энергетических ресурсов можно объединить в две группы. 
К первой группе относятся общезаводские мероприятия. Для их 
реализации не требуется существенных капиталовложений. Это 
максимальное сокращение потерь сырья, теплоносителя, более 
полная утилизация тепла отходящих газов, упорядочение учета 
и хранения глины, твердого топлива, соблюдение теплотворной 
способности, требований к качеству угля и др. Реализация этой 
группы мероприятий позволяет сократить расход сырья и топлива 
примерно на 5–6 %. 

Ко второй группе относятся совершенствование техноло-

гии, модернизация оборудования, применение автоматизированных 
систем управления технологическими процессами. А также 
разработка прогрессивных безотходных энергосберегающих технологий, 
позволяющих максимально использовать вторичные 
топливно-энергетические ресурсы и отходы промышленности [6]. 
Осуществление этих мероприятий требует значительных капиталовложений 
на строительство новых комплексно-механизированных 
и автоматизированных линий, замены основного оборудования 
и выполнения значительного объема строительно-
монтажных работ. 

Предприятия угольной промышленности и электростанции 

страны направляют ежегодно в отвалы около 60 млн т золы 
и 80 млн т отходов углеобогащения. Отходы содержат от 2 до 
25 % остаточного топлива, что позволяет экономить технологическое 
топливо при использовании их в качестве компонента 

Керамические стеновые материалы на основе некондиционного сырья 

12 

шихты или основного сырья в производстве керамических стеновых 
материалов [6]. При этом обжиг материала осуществляется 
частично или полностью за счет топлива отходов [1416]. 
Например, использование в качестве корректирующих добавок 
для глин топливосодержащих отходов добычи обогащения 
и сжигания углей (золы, шихты) [17]. 

Необходимость в новых керамических материалах обу-

словливается постоянно возникающими реальными потребностями 
созданных в настоящее время проектов в практически 
осуществимых и пригодных к службе новых изделиях. Основным 
препятствием для развития большого числа технологически 
осуществимых структур и систем является отсутствие подходящих 
сырьевых материалов. 

Потребность в новых улучшенных свойствах привела к со-

зданию новых материалов, наличие которых обусловило развитие 
новых областей их использования, в которых уникальные 
свойства этих материалов оказались незаменимы. Этот цикл 
развития – от новых типов керамики к новым областям использования 
и от новых областей использования к новым типам керамики – 
ускорялся по мере достижения лучшего понимания 
специфики новых типов керамики и ее свойств. 

Комплексное использование сырьевых материалов и тех-

ногенных отходов дает возможность увеличить выпуск многих 
видов строительной продукции на 20–30 %. При этом ее себестоимость 
будет ниже в 2–4 раза, чем при применении традиционного 
сырья [18]. 

Таким образом, можно отметить, что рациональное ис-

пользование сырьевых и топливно-энергетических ресурсов 
в производстве керамики может решить проблемы сырьевой 
базы для получения строительных керамических изделий, 
а также усовершенствовать технологии и техники термообработки 
материалов.