Низкоцементный алюмоцирконийсиликатный бетон, полученный из промышленных отходов

Впервые из отходов, полученных при демонтаже стекловаренных печей, изготовлены высокопрочные низкоцементные бетоны. Обнаружено положительное влияние диспергатора ― длинноцепочечного ионизируемого триполифосфата натрия (STPP) на электростатическую стабилизацию и улучшение реологических характеристик алюмоцирконийсиликатного (АZS) бетона. Были изготовлены четыре бетонные смеси с разным коэффициентом упаковки частиц n согласно уравнению Андреасена (0,22, 0,23, 0,24 и 0,25). Бетон с n = 0,25 имел отличные показатели предела прочности при сжатии (1118,15 кг/см² ) и плотности (2,65 г/см³ ) после обжига при 1375 ^о С, высокую стабильность линейных размеров (не более 0,6 % при 1300 ^о С), а также повышенную стойкость к термоудару (30 теплосмен) и к абразивному воздействию (потери при истирании ~2,05 % после 280 циклов испытаний) после обжига при 1300 ^о С. Таким образом, полученный бетон можно использовать в зонах цементных печей с высокой скоростью износа и при нестабильных условиях работы. Установлено, что бетон с n = 0,25 особенно хорошо зарекомендовал себя в футеровке зоны загрузочного отверстия вращающейся цементной печи при 1000‒1300 ^o C. Результаты исследований открывают возможности для использования отходов, образующихся при демонтаже стекловаренных печей, для изготовления высокопрочного низкоцементного огнеупорного бетона.

1. Rasmussen, M. H. Low SO2 еmission рreheaters for сement рroduction / M. H. Rasmussen, К. Dam-Johansen, S. Wedel [et al.]. ― Technical University of Denmark, 2011. ― 152. https://doi.org/ISBN:978-87-92481-59-7.

2. Javed, S. H. K. Innovation in рortland сement manufacturing / S. H. K. Javed, I. Bhatty, F. MacGregor Miller. ― Portland Cement Association, 2004.

3. X. Liu, F. Chen. Upgrading castable performance through matrix optimization / X. Liu, F. Chen // Naihuo Cailiao/Refractories. ― 2003. ― Vol. 37. ― P. 14.

4. Kiennemann, J. The role of granulometry and additives in optimising the alumina matrix in low cement castables / J. Kiennemann, E. Chabas, C. Ulrich, D. Dumont // Refractories WORLDFORUM. ― 2017. ― Vol. 9. ― P. 77‒82.

5. Ibrahim, A. A. M. E.-A. Rheology of refractory concrete: an article review / A. A. M. E.-A. Ibrahim, M. I. Bayoumi, Emad M. M. Ewais // Boletín La Soc. Española Cerámica y Vidr. ― 2021.

6. Nouri-Khezrabad, M. Nano-bonded refractory castables / M. Nouri-Khezrabad, M. A. L. Braulio, V. C. Pandolfelli, F. Golestani-Fard, H. R. Rezaie // Ceram. Int. ― 2013. ― Vol. 39. ― P. 3479‒3497. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.11.028.

7. Lee, W. E. Castable refractory concretes / W. E. Lee, W. Vieira, S. Zhang, K. Ghanbari Ahari, H. Sarpoolaky, C. Parr // Int. Mater. Rev. ― 2001. ― Vol. 46. ― P. 145‒167. https://doi.org/10.1179/095066001101528439.

8. Ewais, E. M. M. Tailoring of magnesium aluminum titanate based ceramics from aluminum dross / E. M. M. Ewais, N. H. A. Besisa // Mater. Des. ― 2018. ― Vol. 141. ― P. 110‒119. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.12.027.

9. Rabah, M. Multi-impregnating pitch-bonded Egyptian dolomite refractory brick for application in ladle furnaces / M. Rabah, E. M. M. Ewais // Ceram. Int. ― 2009. ― Vol. 35. ― P. 813‒819. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2008.02.017.

10. Bae, S. I. Sintering and grain growth of ultrapure alumina / S. I. Bae, S. Baik // J. Mater. Sci. ― 1993. ― Vol. 28. ― P. 4197‒4204. https://doi.org/10.1007/BF00351254.

11. Rodrigo, P. D. D. High purity mullite ceramics by reaction sintering / P. D. D. Rodrigo, P. Boch // Int. J. High Technol. Ceram. ― 1985. ― Vol. 1, № 1. ― P. 3‒30. https://doi.org/10.1016/0267-3762(85)90022-0.

12. Green, D. J. An introduction to the mechanical properties of ceramics / D. J. Green. ― Cambridge University Press, 1998. https://doi.org/10.1017/cbo9780511623103.

13. Majidian, H. Phase evolution, microstructure, and mechanical properties of alumina–mullite–zirconia composites prepared by iranian andalusite / H. Majidian, L. Nikzad, H. Eslami-Shahed, T. Ebadzadeh // Int. J. Appl. Ceram. Technol. ― 2016. ― Vol. 13. ― P. 1024‒1032. https://doi.org/10.1111/ijac.12582.

14. Aksel, C. Mechanical properties and thermal shock behaviour of alumina-mullite-zirconia and aluminamullite refractory materials by slip casting / C. Aksel // Ceram. Int. ― 2003. ― Vol. 29. ― P. 311‒316. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(02)00139-6.

15. Aksel, C. The microstructural features of an aluminamullite-zirconia refractory material corroded by molten glass / C. Aksel // Ceram. Int. ― 2003. ― Vol. 29. ― P. 305‒309. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(02)00137-2.

16. Sarkar, R. Effect of different mullite precursors on the properties of low cement high alumina castable. CALCIUM PHOSPHATE BASED MACHINABLE BIOCERAMICS / R. Sarkar // View project Nano carbon containing refractory View project, 2011.

17. Ding, S. Fabrication of mullite-bonded porous silicon carbide ceramics by in situ reaction bonding / S. Ding, S. Zhu, Y. P. Zeng, D. Jiang // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2007. ― Vol. 27. ― P. 2095‒2102. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2006.06.003.

18. Zhang, J. Effect of microsilica on the properties of bauxite-andalusite based castables at the presence of colloidal silica as binder / J. Zhang, S. Yan, X. Liu, Q. Jia, X. Li, H. Guo // 14th Bienn. Worldw. Congr. Unified Int. Tech. Conf. Refract. UNITECR 2015, Conjunction with 58th Int. Colloq. Refract. ― 2015.

19. Garnier, V. Characterization of mullite-zirconia composites prepared from various starting alumina phases / V. Garnier, H. Belhouchet // Verres Céramiques Compos. ― 2011. ― № 1. ― Р. 16‒24.

20. Ma, B. Y. Preparation and sintering properties of zirconia-mullite-corundum composites using fly ash and zircon / B. Y. Ma, Y. Li, S. G. Cui, Y. C. Zhai // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. ― 2010. ― Vol. 20. ― P. 2331‒2335. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(10)60650-4.

21. Carbajal, G. I. V. Microstructure and mechanical behavior of alumina-zirconia-mullite refractory materials / G. I. V. Carbajal, J. L. R. Galicia, J. C. R. Ángeles, J. L. Cuevas, C. A. G. Chavarría // Ceram. Int. ― 2012. ― Vol. 38. ― P. 1617‒1625. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2011.09.051.

22. Kumar, P. Synthesis and characterization of mullitezirconia composites by reaction sintering of zircon flour and sillimanite beach sand / P. Kumar, M. Nath, A. Ghosh, H. S. Tripathi // Bull. Mater. Sci. ― 2015. ― Vol. 38. ― P. 1539‒1544. https://doi.org/10.1007/s12034-015-0890-3.

23. Ebadzadeh, T. Effect of TiO2 addition on the stability of t-ZrO2 in mullite‒ZrO2 composites prepared from various starting materials / T. Ebadzadeh, E. Ghasemi // Ceram. Int. ― 2002. ― Vol. 28. ― P. 447‒450. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(01)00117-1.

24. Bhattacharjee, S. DLS and zeta potential ‒ What they are and what they are not? / S. Bhattacharjee // J. Control. Release. ― 2016. ― Vol. 235. ― P. 337‒351. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2016.06.017.

25. Malvern Instruments. Zeta potential: an Introduction in 30 minutes : Zetasizer Nano Serles ― 2011. ― MRK654- 01, Issue 2. ― P. 1‒6.

26. Lunardi, C. N. Experimental methods in chemical engineering: Zeta potential / C. N. Lunardi, A. J. Gomes, F. S. Rocha, J. De Tommaso, G. S. Patience // Can. J. Chem. Eng. ― 2021. ― Vol. 99. ― P. 627‒639. https://doi.org/10.1002/cjce.23914.

27. Ersoy, B. Zeta Potential-viscosity relationship in kaolinite slurry in the presence of dispersants / B. Ersoy, A. Evcin, T. Uygunoglu, Z. B. Akdemir, W. Brostow, J. Wahrmund // Arab. J. Sci. Eng. ― 2014. ― Vol. 39. ― P. 5451‒5457. https://doi.org/10.1007/s13369-014-1146-z.

28. Sis, H. Effect of nonionic and ionic surfactants on zeta potential and dispersion properties of carbon black powders / H. Sis, M. Birinci // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. ― 2009. ― Vol. 341. ― P. 60‒67. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2009.03.039.

29. Robinson, M. Surface charge of alumina and magnesia in aqueous media / M. Robinson, J. A. Pask, D. W. Fuerstenau // J. Am. Ceram. Soc. ― 1964. ― Vol. 47. ― P. 516‒520. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1964.tb13801.x.

30. Johansen, P. G. An application of the microelectrophoresis method to the study of the surface properties of insoluble oxides / P. G. Johansen, A. S. Buchanan // Australian Journal of Chemistry. ― 1957. ― Vol. 10, № 4. ― Р. 398‒403.

31. Modi, H. J. Streaming potential studies on corundum in aqueous solutions of inorganic electrolytes / H. J. Modi, D. W. Fuerstenau // J. Phys. Chem. ― 1957. ― Vol. 61. ― P. 640‒643. https://doi.org/10.1021/j150551a029.

32. Xu, R. Progress in nanoparticles characterization: Sizing and zeta potential measurement / R. Xu // Particuology. ― 2008. ― Vol. 6. ― P. 112‒115. https://doi.org/10.1016/j.partic.2007.12.002.

33. Piani, L. Sodium tripolyphosphate and polyphosphate as dispersing agents for alumina suspensions: Rheological characterization / L. Piani, A. Papo // Journal of Engineering. ― 2013. https://doi.org/10.1155/2013/930832.

34. Yoon, R. H. Zeta-potential measurements on microbubbles generated using various surfactants / R. H. Yoon, J. L. Yordan // J. Colloid Interface Sci. ― 1986. ― Vol. 113. ― P. 430‒438. https://doi.org/10.1016/0021-9797(86)90178-5.

35. Wan, W. Aqueous gelcasting of silica ceramics using DMAA / W. Wan, J. Yang, J. Zeng, L. Yao, T. Qiu // Ceram. Int. ― 2014. ― Vol. 40. ― P. 1257‒1262. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.06.048.

36. Microsilica Containing Refractory CastablesInfluence of Additives, 2011.

37. Sarkar, R. Study on the effect of deflocculant variation in high-alumina low-cement castable / R. Sarkar, A. D. Samant // InterCeram: International Ceramic Review. ― 2016. ― Vol. 65, № 7. ― P. 28‒34. https://doi.org/10.1007/bf03401184.

38. Tabit, К. Effect of CaO/SiO2 ratio on phase transformation and properties of anorthite-based ceramics from coal fly ash and steel slag / K. Tabit, H. Hajjou, M. Waqif, L. Saâdi // Ceram. Int. ― 2020. ― Vol. 46. ― P. 7550‒7558. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.254.

39. Harabi, A. Mechanical properties of anorthite based ceramics prepared from kaolin DD2 and calcite / A. Harabi, S. Zaiou, A. Guechi [et al.] // Ceramica. ― 2017. ― Vol. 63. ― P. 311‒317. https://doi.org/10.1590/0366- 69132017633672020.

40. Dávalos, J. Preparation of glass-ceramic materials from coal ash and rice husk ash: Microstructural, physical and mechanical properties / J. Dávalos, A. Bonilla, M. A. Villaquirán-Caicedo, R. M. de Gutiérrez, J. M. Rincón // Bol. La Soc. Esp. Ceram. y Vidr. ― 2020. https://doi.org/10.1016/j.bsecv.2020.02.002.

41. Zawrah, M. F. M. Effect of mullite formation on properties of refractory castables / M. F. M. Zawrah, N. M. Khalil // Ceram. Int. ― 2001. ― Vol. 27. ― P. 689‒694. https://doi.org/10.1016/S0272-8842(01)00021-9.

42. Brouwers, H. J. H. Particle-size distribution and packing fraction of geometric random packings / H. J. H. Brouwers // Phys. Rev. E ― Stat. Nonlinear, Soft Matter Phys. ― 2006. ― Vol. 74. ― P. 1‒15. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.74.031309.

43. Aurajo Mosci, R. Refractories in Cement Manufacturing / R. Aurajo Mosci // Inov. Portl. Cem. Manuf. ― 2001. ― P. 453‒476.

44. Szczerba, J. Corrosion of basic refractories in contact with cement clinker and kiln hot meal / J. Szczerba, I. Jastrzębska, Z. Pędzich, M. M. Bućko // J. Mater. Sci. Chem. Eng. ― 2014. ― № 02. ― P. 16–25. https://doi.org/10.4236/msce.2014.210003.

45. Ewais, E. M. M. M-CZ composites from Egyptian magnesite as a clinker to RCK refractory lining / E. M. M. Ewais, I. M. I. Bayoumi, S. A. El-korashy // Ceram. Int. ― 2018. ― Vol. 44, № 2. ― Р. 2274‒2282. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.10.188.

46. Krietz, L. Refractories handbook. Ch. 10. Refractory Castables / L. Krietz ; ed. by Ch. A. Schacht. ― New York : Marcel Dekker, 2004. https://doi.org/10.1201/9780203026328.ch10.

47. Ceramic and Glass Materials / ed. by J. F. Shackelford, R. H. Doremus. ― Springer : New York, 2008. ― 209 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-73362-3.

48. Ewais, E. M. M. Magnesium aluminate spinel nanoparticle influences upon the technological properties of MCZ composite brick for RCK lining / E. M. M. Ewais, I. M. I. Bayoumi // Ceram. Int. ― 2018. ― Vol. 44, № 12. ― P. 14734‒14741. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.102.

49. Ewais, E. M. M. Effect of hercynite spinel on the technological properties of MCZ products used for lining cement rotary kilns / E. M. M. Ewais, I. M. I. Bayoumi // Refract. Ind. Ceram. ― 2019. ― Vol. 60, № 2. ― Р. 192‒200 https://doi.org/10.1007/s11148-019-00334-w. Эвайс, Э. М. М. Влияние герцинитовой шпинели на технологические свойства магнезиальнокальцийциркониевых изделий для футеровки вращающихся цементных печей / Эмад М. М. Эвайс, Ибрагим М. И. Байуми // Новые огнеупоры. ― 2019. ― № 4. ― С. 29‒37.

50. Kumar, V. Low temperature synthesis of high alumina cements by gel-trapped co-precipitation process and their implementation as castables / V. Kumar, V. K. Singh, A. Srivastava, G. N. Agrawal // J. Am. Ceram. Soc. ― 2012. ― Vol. 95. ― P. 3769‒3775. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2012.05453.x.