Строительная керамика с анортитовой фазой на основе легкоплавких глин и техногенного непластичного сырья

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 
«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 
 
 
 
 
М.А. Семеновых, Н.К. Скрипникова,  
В.В. Шеховцов 
 
 
 
СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА  
С АНОРТИТОВОЙ ФАЗОЙ  
НА ОСНОВЕ ЛЕГКОПЛАВКИХ ГЛИН  
И ТЕХНОГЕННОГО НЕПЛАСТИЧНОГО СЫРЬЯ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство ТГАСУ 
2024 

УДК 666.32.016:669.054.8 
ББК 35.428+34.390 
С303 
 
Семеновых, М.А. 
Строительная керамика с анортитовой фазой на основе 
легкоплавких глин и техногенного непластичного сырья : монография / М.А. Семеновых, Н.К. Скрипникова, В.В. Шеховцов – 
Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2024. – 124 с. – 
Текст : непосредственный. 
ISBN 978-5-6051703-6-5 
 
В монографии рассмотрены процессы образования анортитовой фазы 
при обжиге керамической шихты, состоящей из глины и трех видов металлургических отходов. В работе исследованы сырьевые материалы: глина Верхового месторождения, шлам газоочистки конвертерного и доменного производства, шлак доменного производства. Описаны возможности их применения 
для получения анортитовой строительной керамики. 
Разработаны составы керамической шихты и установлены оптимальные 
соотношения сырьевых компонентов для получения керамической анортитсодержащей продукции. Представлена модифицированная схема производства 
строительного кирпича, отличающаяся наличием оборудования, необходимого 
для использования металлургических отходов в составе керамической шихты. 
Монография может быть использована в качестве научно-методической базы во время проведении исследований при разработке новых материалов и технологий для промышленных целей. 
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства 
науки и высшего образования РФ FEMN-2022-0001. 
 
УДК 666.32.016:669.054.8 
ББК 35.428+34.390 
Рецензенты: 
В.И. Верещагин, докт. техн. наук, профессор Научно-образовательного центра Н.М. Кижнера; 
В.И. Отмахов, докт. техн. наук, профессор кафедры аналитической химии Томского государственного университета. 
 
ISBN 978-5-6051703-6-5 
© Томский государственный 
   архитектурно-строительный 
   университет, 2024 
© Семеновых М.А., Скрипникова Н.К., 
   Шеховцов В.В., 2024 
С303 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ................................................................................................................. 5 
1. Состояние и перспективы развития получения керамических 
материалов с использованием природного и некондиционного 
техногенного сырья ............................................................................................. 6 
1.1. Строительная керамика с использованием техногенных сырьевых 
материалов......................................................................................................... 7 
1.1.1. Строительная керамика с использованием золошлаковых 
(отходов теплоэнергетики) отходов ........................................................ 7 
1.1.2. Строительная керамика с использованием отходов  
металлургии ............................................................................................... 9 
1.1.3. Строительная керамика с использованием  
кальцийсодержащих отходов ................................................................. 12 
1.2. Синтез анортита в составе строительной керамики ............................. 16 
2. Характеристика исходных материалов, методы исследований 
и методология работы ....................................................................................... 20 
2.1. Характеристика глинистого сырья ......................................................... 20 
2.2. Характеристика техногенного сырья ..................................................... 23 
3. Физико-химические процессы фазообразования анортита  
при обжиге легкоплавкой глины, кальцийсодержащего  
техногенного сырья ........................................................................................... 27 
3.1. Процессы фазообразования при обжиге глины Верхового 
месторождения ................................................................................................ 27 
3.1.1. Анализ влияния температуры на физические свойства  
продукта обжига глины Верхового месторождения ............................ 29 
3.1.2. Физико-химический анализ процессов, происходящих 
при обжиге глины Верхового месторождения ..................................... 32 
3.1.3. Анализ микроструктуры продукта обжига глины  
Верхового месторождения ..................................................................... 35 
3.2. Процессы фазообразования при обжиге непластичного  
техногенного сырья ........................................................................................ 36 
3.2.1. Процессы фазообразования при обжиге шлама газоочистки 
конвертерного производства.................................................................. 38 
3.2.2. Процессы фазообразования при обжиге шлака доменного ........... 43 
3.2.3. Процессы фазообразования при обжиге шлама  
газоочистки доменного производства ................................................... 46 
4. Разработка компонентных составов и исследование процессов 
фазообразования при обжиге композиций глины с техногенными 
отходами ............................................................................................................... 52 

4.1. Исследование компонентных составов, содержащих глину  
Верхового месторождения и шлам газоочистки конвертерного 
производства ................................................................................................... 52 
4.1.1. Разработка компонентных составов для получения 
строительной керамики, содержащей глину Верхового 
месторождения и шлам газоочистки конвертерного  
производства, и подбор режима обжига композиций ......................... 52 
4.1.2. Процессы фазообразования при обжиге композиции, 
содержащей глину Верхового месторождения и шлам  
газоочистки конвертерного производства ............................................ 61 
4.2. Исследование компонентных составов, содержащих глину  
Верхового месторождения и шлак доменного производства ..................... 68 
4.2.1. Разработка компонентных составов для получения 
строительной керамики, содержащей глину Верхового 
месторождения и шлак доменного производства, и подбор  
режима обжига композиций .................................................................. 68 
4.2.2. Процессы фазообразования при обжиге композиции, 
содержащей глину Верхового месторождения и шлак доменный ..... 74 
4.3. Исследование компонентных составов, содержащих глину  
Верхового месторождения и шлам газоочистки доменного  
производства ................................................................................................... 79 
4.3.1. Подбор и обоснование составов для получения  
керамических материалов, содержащих глинистое сырье  
Верхового месторождения и шлам газоочистки доменного 
производства, и подбор режима обжига композиций ......................... 79 
4.3.2. Процессы фазообразования при обжиге композиции, 
содержащей глину Верхового месторождения и шлам  
газоочистки доменного производства ................................................... 85 
5. Технология получения строительной керамики с анортитовой  
фазой на основе композиций легкоплавкой глины 
и кальцийсодержащего непластичного сырья ............................................. 94 
5.1. Обоснование и выбор компонентных составов .................................... 94 
5.2. Технология получения керамического кирпича с анортитовой  
фазой ................................................................................................................ 95 
5.3. Свойства образцов керамического кирпича с анортитовой фазой ...... 99 
5.4. Технология получения керамического кирпича с анортитовой  
фазой в производственных условиях .......................................................... 102 
Заключение ........................................................................................................ 108 
Библиографический список ........................................................................... 110 

ВВЕДЕНИЕ 
В строительной индустрии керамический кирпич занимает одно 
из лидирующих мест в области использования стеновых конструкционных материалов. Повышение качества кирпича и других видов керамики путем применения природных глин и техногенного сырья является в настоящее время важной задачей. Одним из перспективных 
направлений модифицирования состава керамической шихты для получения керамического кирпича считается использование техногенных 
металлургических отходов, позволяющих улучшить прочностные характеристики, износостойкость и долговечность строительного кирпича. Исследования по совершенствованию составов и технологии керамических материалов с применением непластичных техногенных отходов являются актуальными. 
В решение вопросов получения керамических материалов с использованием техногенных отходов внесли свой вклад многие ученые: 
В.М. Погребенков, В.В. Верещагин, Т.В. Вакалова, А.Ю. Столбоушкин, 
С.В. Федосов, Л.А. Орлова, В.В. Дубинецкий, В.А. Гурьева, А.Е. Бурученко, С.А. Шахов, А.Д. Шильцина, В.Д. Котляр, Н.Д. Яценко, Н.А. Бабак, Л.Л. Масленникова, Liu Han-Qiao, B. Angjusheva, Pei Dejian, 
V.G. Karayannis, R. Sokolar и др. Проведенные исследования показывают высокую эффективность применения техногенных отходов в качестве сырья при производстве керамических строительных материалов. 
Они обеспечивают повышение эксплуатационных качеств керамических материалов в сравнении с изделиями, получаемыми с использованием традиционных сырьевых материалов. Однако работы, касающиеся 
применения кальцийсодержащих металлургических отходов для получения строительной анортитовой керамики, практически не встречаются в научной литературе. 
Комплексные исследования кальцийсодержащего сырья в виде 
техногенных отходов для получения анортитсодержащей строительной 
керамики с повышенными физико-механическими показателями в свете 
последних программ индустриально-инновационного развития страны 
являются востребованными. 
 

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ  
ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ  
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИРОДНОГО  
И НЕКОНДИЦИОННОГО ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ 
В настоящее время прослеживается тенденция к развитию городской инфраструктуры, и поэтому проблема жилищного строительства 
не теряет своей остроты [1–5]. 
В Томской области активно отстраиваются жилые районы. Основными застройщиками являются в настоящий момент ООО «Томская 
домостроительная компания» и ООО «Группа компаний «Карьероуправление». ООО «Томская домостроительная компания» при строительстве прибегает к технологии возведения панельных и монолитных 
домов, в то время как ООО «Группа компаний «Карьероуправление» 
возводит дома из кирпича. Оба подхода имеют как преимущества, так 
и недостатки. Если монолитное и панельное строительство предполагает короткие сроки и относительную дешевизну строительства, то кирпичные дома обладают рядом эксплуатационных преимуществ и декоративной выразительностью. Особенно актуально кирпичное строительство при возведении малоэтажных зданий [6–8]. 
Облицовочный кирпич позволяет при различных комбинациях, 
вариантах и видах кладки придавать зданиям неповторимый вид. 
В связи со стремлением застройщиков к индивидуальности, выразительности и эстетическому многообразию актуальными вопросами развития лицевой стеновой керамики являются поиск нового в области дизайна, разработка современных эстетических вариантов архитектурных 
решений [9]. 
Исходя из вышесказанного, керамический кирпич является сегодня 
актуальным и востребованным строительным материалом. Но востребованность кирпича требует и высокого обеспечения предложением оного 
и подразумевает колоссальное количество сырьевого материала. В производстве керамического кирпича и камня технологический брак достигает 
15 %, это связано в первую очередь с качеством сырьевых компонентов 
[10]. Чтобы удовлетворить потребность стройиндустрии в керамических 
материалах, предприятиям приходится прибегать к использованию в составах шихты низкокачественных суглинков в связи с истощением сырье

1. Состояние и перспективы развития получения керамических материалов 
7 
вой базы и недостатком либо невозможностью организации новых глиняных карьеров. Это усложняет технологию производства изделий, соответственно, возникает необходимость в регулировании состава дополнительными добавками, а также изменении технологии производства. 
Следовательно, с целью улучшения качества производимой продукции необходимо искать пути замещения сырьевой базы на альтернативные варианты. Одним из видов сырьевого материала могут служить техногенные металлургические отходы. В настоящее время активно исследуется данный подход, при котором различные виды 
техногенных отходов являются частичными заменителями глинистого 
сырья или добавками при производстве керамических материалов и изделий [11–21]. При этом большинство исследований эксплуатационных 
свойств полученных лабораторных образцов позволяют сделать заключение о высокой эффективности ввода в состав шихты техногенных отходов: наблюдается улучшение эксплуатационных свойств и снижение 
себестоимости получаемой продукции. 
 
 
1.1. Строительная керамика с использованием техногенных 
сырьевых материалов 
К техногенным сырьевым материалам, которые могут использоваться при изготовлении керамических строительных изделий и материалов, относятся отходы или побочные продукты производства различных 
промышленных направлений [22]. Такими сырьевыми материалами, 
к примеру, являются золошлаковые отходы, нефтяные отходы, металлургические отходы, образующиеся в процессе получения из природного сырья металлов, сплавов и др. Далее будут приведены работы, в которых 
используются различные способы модифицирования строительных керамических материалов на основе алюмосиликатной сырьевой базы. 
 
1.1.1. Строительная керамика с использованием 
золошлаковых (отходов теплоэнергетики) отходов 
Одним из путей модифицирования компонентного состава является введение золошлаковых отходов. В работах [23–31] описаны тех

Строительная керамика с анортитовой фазой 
8 
нологии получения керамических материалов с использованием вторичного сырья в виде зол различных производств. 
В работе [23] установлена возможность использования зол от сжигания бытовых сточных осадков в качестве сырья для производства фасадных керамических экранов. Отмечено, что при обжиге изделий с содержанием золы более 50 % формируется однородная матричная микроструктура, которая представлена стеклофазой и кристаллами анортита. 
Тепломассообменные процессы при обжиге керамических материалов с применением золошлаков исследовались в работе [24]. Исследования 
показали, что наибольшее значение коэффициента эффективной температуропроводности керамических материалов с применением золошлакового 
материала лежит в интервалах температур, где интенсивность физико-химических процессов более значительна. Эти зоны соответствуют наиболее 
сложным условиям обжига, т. к. чем ниже коэффициент температуропроводности, тем медленнее прогревается изделие. Наиболее сложные условия 
обжига образцов с применением золошлакового материала происходят 
в интервале 960–1050 °С. В этом интервале температур начинается наиболее интенсивное уплотнение черепка, появление жидкой фазы, анортита, гематита и других минералов [25]. 
Экспериментально установлено, что для получения высокомарочного кирпича в составы керамических масс целесообразно вводить 
фосфорный шлак и золошлаковый материал. Муллит повышает прочность керамических изделий, а волластонит способствует снижению 
усадки. Повышение температуры обжига с 1000 до 1050 и до 1100 °С 
способствует увеличению содержания стеклофазы в изделиях, что положительно влияет на их прочность [26]. 
В работе [29] исследовались керамические материалы, полученные из угольной золы с добавлением красного шлама от производства 
алюминия и кремнеземистой пыли. Рентгенофазовый анализ полученных керамических материалов выявил, что основными кристаллическими фазами были диопсид (Ca(Mg, Al)(Si, Al)2O6) и авгит алюминия 
(Ca(Mg, Fe3+, Al). Микроструктурные наблюдения показали, что объем 
кристаллизации увеличивается, когда увеличивается продолжительность термической обработки. Керамические образцы, полученные из 
промышленных отходов, имели повышенные значения плотности 
и микротвердости. По результатам проведенных работ было установ

1. Состояние и перспективы развития получения керамических материалов 
9 
лено, что керамические образцы, изготовленные из отходов, являются 
перспективными для промышленного применения в строительстве. 
В работе [30] изготавливалась керамика с использованием золы. 
Исследовались четыре вида золы из электрофильтров и один из накопителя с частицами < 0,063 мм. Консолидация была достигнута прессованием (P = 133 МПа) и спеканием (950, 1000, 1050 и 1100 °C и скорости нагрева 3 и 10 °C/мин). Керамика с оптимальными свойствами: пористость (2,96 ± 0,5) %, прочность на изгиб (47 ± 2) МПа, прочность на 
сжатие (170 ± 5) МПа – была получена при 1100 °C при условии скорости нагрева 10 °C/мин. 
В работе [31] описан процесс приготовления строительной керамики с использованием золосодержащего сырья, которое предусматривает механохимическую активацию. Во время активации некоторые из 
октаэдрически координированных ионов превращаются в тетраэдрически координированные, делая силикатную структуру нестабильной. 
Конечные продукты обладают повышенными механическими свойствами, обусловленными игольчатым муллитом, полученным из активированной золы. Это исследование дает представление о более эффективном применении золосодержащего сырья в производстве керамических материалов. 
Анализ исследований позволяет утверждать о перспективности 
использования золошлаковых отходов в связи с улучшением теплоизолирующих свойств, а в некоторых случаях – с увеличением прочностных свойств материала. Однако характерной чертой зольного сырья 
в данном случае является непостоянство его химического состава не 
только в пределах региона, но и в пределах предприятия. Таким образом, требуется комплексный подход к анализу применения зольного 
сырья и влияния содержащихся в нем оксидов на свойства полученного 
керамического материала. 
 
1.1.2. Строительная керамика  
с использованием отходов металлургии 
Металлургические отходы представляют собой материалы, которые образуются в процессе добычи, переработки сырья и производства металлических материалов. К таким отходам относят шлаки, 
пыль, шламы, золы и др. 

Строительная керамика с анортитовой фазой 
10 
В последние годы большое внимание уделяется экологически 
безопасному обращению с побочными продуктами металлургической 
промышленности и их превращению во вторичное сырье для строительных материалов. Известны работы, в которых реализуют введение 
в состав керамической шихты металлургических отходов [32–53]. 
В.А. Куликов в своем исследовании [32] установил, что совместное 
введение в составы керамических масс металлургического шлака и золошлакового материала повышает марку изделий с М100 до М150. 
С.А. Монтаев в своих трудах [33] изучил использование отходов промышленности в производстве строительной керамики. Им было предложено добавление в смесь доменного шлака и угля. Экспериментально 
установлено, что эти добавки позволяют снизить температуру обжига, 
уменьшают плотность и увеличивают прочностные характеристики 
при сжатии и изгибе. 
В работах [34, 35] описан опыт применения флотоотходов при изготовлении керамических материалов. В результате проведенных исследований авторы установили, что использование отходов флотации 
улучшает эксплуатационные свойства керамических изделий. Исследуемый материал может быть использован в качестве основного сырья 
для новых структур керамических материалов различного вида. 
Я.И. Вайсман предложил возможность применения террикоников 
в производстве строительной керамики [36]. Им была установлена зависимость основных свойств строительной керамики от количества и вида использованных отходов. Результаты проведенных исследований позволяют 
сделать вывод о том, что терриконики являются эффективными добавками 
при производстве строительной керамики, снижающими усадку изделий 
и улучшающими их теплотехнические характеристики. 
А.В. Колпаков исследовал влияние аморфного шлака и межсланцевой глины в производстве керамического кирпича [37]. В результате 
исследования установлено, что использование техногенного сырья при получении керамических изделий обеспечивает кирпичу высокую морозостойкость (до 100 циклов) и механическую прочность (до 20 МПа) в сравнении с обыкновенным кирпичом (90 циклов морозостойкости и 18 МПа 
предел прочности при сжатии). 
В работе [38] изучен механизм спекания керамических изделий, 
полученных из красного шлама. Были изучены характеристики спекания