X Nauni/struni simpozij sa meunarodnim ueem

METALNI I NEMETALNI MATERIJALI Bugojno, BiH, 24-25. april, 2014.

PREGLED UPOTREBE DODATAKA ZA POVEANJE POROZNOSTI U OPEKARSKIM PROIZVODIMAAN OVERVIEW OF PORE FORMING ADDITIVES USAGE IN FIRED CLAY BRICKS

Adnan MUJKANOVI, Marina JOVANOVI

Fakultet za metalurgiju i materijale

Univerzitet u Zenici

Kljune rijei: dodaci, poroznost, glina, opeka, piljevina, polistiren, papirna pulpa, ugaljREZIME

Za proizvodnju graevinske opeke sa jako dobrim svojstvima u pogledu toplotne izolacije, pored vertikalnih upljina koje se u opeku ugrauju u fazi oblikovanja, neophodno je i samo tijelo opeke uiniti poroznim. Najefikasniji nain kojim se to moe postii je uvoenje organskih dodataka u glinenu masu u toku mijeanja sirove gline. U procesu peenja dolazi do sagorijevanja organske supstance, koja iza sebe ostavlja veliki broj finih pora te se na taj nain drastino smanjuje toplotna provodljivost opeke. U ovom radu je dat pregled najvie koritenih organskih dodataka za poveanje poroznosti opeke.Key words: pore-forming additives, clay brick, sawdust, polystyrene, paper pulp, coalABSTRACT

For the production of vertically perforated bricks with very good thermal insulation properties it is necessary to increase porosity of ceramic body. The most effective way to achieve this is the addition of organic substances into the clay mass. During the firing process combustion of these substances occures, leaving behind a large number of fine pores and thus drastically reducing the thermal conductivity of bricks. This paper provides an overview of the most widely used organic pore forming additives for bricks production.

1. UVODSavremena industrija opekarskih proizvoda okarakterisana je velikom trinom konkurencijom koja postavlja sve otrije zahtjeve u pogledu kvaliteta, ali i posebnih svojstava proizvoda. Pored dobrih fiziko-mehanikih svojstava, od opeke se zahtijevaju i izvanredna toplotno - izolaciona svojstva koja se mogu postii poveanjem poroznosti opeke. Poboljanje toplotne izolacije opekarskih proizvoda rezultira znaajnim utedama energije prilikom zagrijavanja, odnosno hlaenja zatvorenih prostora. Koritenjem opeke poboljanih toplotno - izolacionih svojstava smanjuje se debljina zida, a time i ukupna masa graevine. U najvie koritene dodatke za poveanje poroznosti opeke spadaju drvena piljevina, papirna pulpa i ekspandirani polistiren (EPS). Organski ostaci iz prehrambene, tekstilne i industrije koe takoe se iroko primjenjuju. Mljeveni ugalj i ugljena praina se, zbog njihove visoke kalorine moi, za sada mogu samo u manjim koliima mijeati sa glinom, to obino nije dovoljno za postizanje zadovoljavajueg stepena poroznosti. 2. DODACI ZA POVEANJE POROZNOSTI OPEKEPoveanje poroznosti se najee postie mijeanjem glinene mase sa organskim dodacima koji sagorijevaju u procesu peenja. U kombinaciji sa upljinama koje se u fazi oblikovanja ugrauju u opeku, pore koje ostaju nakon sagorijevanja organskih estica (slika 1) dovode do znaajnog smanjenja toplotne provodljivosti opeke. Ovim dodacima, koji obino imaju vlaknastu strukturu, se takoe smanjuje osjetljivost gline na suenje, a poveava vrstoa osuenih proizvoda.

Slika 1. Porozna struktura peenih glinenih proizvoda [1]Stepen poveanja poroznosti opeke zavisi od gustoe estica, sadraja vode i gubitka arenjem. to je upijanje vode estica dodatka vee, potrebna je vea koliina vode da bi se postigla zadovoljavajua obradljivost gline. Ponaanje pri suenju estica gline i estica dodataka se u velikoj mjeri razlikuje. Dok se estice gline meusobno pribliavaju kako voda odlazi, to se manifestuje skupljanjem gline, vlakna papirne pulpe i estice piljevine ne pokazuju velike volumne promjene [2]. Time se objanjava smanjenje skupljanja pri suenju i manja pojava pukotina.Meu dodacima kojima se poveava poroznost peenih glinenih proizvoda najvie se koriste nusproizvodi iz drvopreraivake industrije i poljoprivrede, materijali koji su dostupni u velikim koliinama i koji tee nalaze primjenu u drugim granama industrije. Kako odlaganje otpadnih materijala na deponijama postaje sve manje prihvatljivo i istovremeno zahtijeva sve vee trokove, trae se alternativna rjeenja za zbrinjavanje ovog otpada. Kao jedno od moguih rjeenja javlja se i industrija opekarskih proizvoda. Meutim, ekonomski faktori koji diktiraju sve aspekte poslovanja u opekarskoj industriji su kompleksni i specifini. Cijena sirovinskih materijala je relativno niska, dok su znatno vei trokovi energije i ostali proizvodni trokovi. Iz tog razloga presudan faktor za potencijalnu primjenu nekog alternativnog materijala je njegova cijena u odnosu na cijenu sirove gline. Trokovi prerade ovih materijala mogu dovesti do toga da njihova upotreba ne bude ekonomina. Jako bitan faktor u razmatranju uporebe alternativnih materijala je svakako udaljenost sa koje se oni trebaju transportovati do tvornice. Opravdanje za neto vee transportne trokove moe biti jedino sluaj da se radi o jako jeftinim materijalima, za ije deponovanje trebaju dodatna ulaganja.

Pored dodataka ijim sagorijevanjem dolazi do poveanja poroznosti, esto se primjenjuju i dodaci koji zahvaljujui sopstvenoj poroznoj strukturi, koju zadravaju i nakon peenja, doprinose ukupnoj poroznosti opeke, kao to su dijatomejska zemlja i perlit. to se tie upotrebe mineralnih dodataka za uvoenje pora u tijelo opeke, ona ima nekoliko nedostataka. Karbonati su uvjetno prihvatljivi, ali formiranje CaO dovodi do nadimanja opeke, to moe rezultirati degradacijom mehanikih svojstava [2].2.1. Drvena piljevinaKod primjene piljevine za poveanje poroznosti opekarskih proizvoda vanu ulogu igra vrsta drveta (meko drvo etinari, tvrdo drvo liari) kao i tip pile (cirkularne, trane). estice piljevine mekog drveta obino imaju izdueniji oblik u odnosu na estice piljevine tvrdog drveta. Cirkularna pila daje grublje estice sa izraenom vlaknastom teksturom, to moe negativno uticati na vrstou peenih proizvoda, ali i dovesti do oteenja profila oblikovanih proizvoda prilikom rezanja. Neujednaena vlanost piljevine jako je nepoeljna. Naime, suha piljevina apsorbuje vodu iz glinene mase i smanjuje njenu obradljivost, dok piljevina sa visokim sadrajem vlage ima suprotan efekat [3]. Zato je prije upotrebe drvene piljevine obavezna njena priprema kojom se postie eljena vlanost, te veliina i oblik estica. U zavisnosti od obima proizvodnje poroznih opekarskih proizvoda mogue su slijedea rjeenja u pogledu pripreme drvene piljevine:

nabavka prethodno pripremljene piljevine, djelimina priprema koja ukljuuje samo prosijavanje piljevine, potpuna priprema piljevine.Prethodno pripremljena piljevina je obino suvie skupa da bi bilo ekonimine njeno koritenje u veim koliinama. Prosijavanjem piljevine u cilju odstranjivanja suvie krupnih estica dobiva se vrlo visok procenat neupotrebljive piljevine koji se kree i do 40%. Zato je za proizvodnju veih serija poroznih opekarskih proizvoda najekonominije rjeenje vlastita priprema koja ukljuuje i mljevenje pomou odogovarajuih mlinova i klasiranje estica po veliini pomou sita [4].Na slici 2 predstavljen je uticaj dodatka piljevine od razliitih vrsta drveta na svojstva gline i opeke.

Slika 2. Uticaj dodatka piljevine od razliitih vrsta drveta na svojstva gline i opeke [3]2.2. Papirna pulpaPapirna pulpa, pored celuloznih vlakana, sadri i veu koliinu mineralnih punila, kao to su kalcit, kaolin i talk. Sadraj vode kree se u irokim granicama od 2 do 70 mas.%, a zapreminska masa od 0,15 do 0,72 kg/m3. Gubitak arenjem zavisno od vrste mineralnog punila iznosi od 30 do 75 %. Pored pulpe iz proizvodnje papira, kao dodatak glini moe se koristiti i otpadni papir koji se prethodno isjee, natapa u vodi i samelje u pulpu. Efekti na svojstva opeke su slini kao u sluaju kada se kao dodatak koristi otpadna pulpa iz proizvodnje papira. Pored smanjenja toplotne provodljivosti opeke, smanjuje se i skupljanje gline pri suenju, bez suvie izraenog smanjenja njihove vrstoe [5]. Na slici 3 je predstavljen uticaj dodatka papirne pulpe na fiziko-mehanika svojstva opeke.

Slika 3. Uticaj dodatka papirne pulpe na svojstva opeke [5]Rezultati predstavljeni u dijagramima upuuju na zakljuak da se sa prekomjernim poveanjem temperature peenja (u ovom sluaju preko 1100C) ponitava dejstvo papirne pulpe kao dodataka za poveanje pora. S obzirom da papirna pulpa sadri visok sadraj kalcita i dolomita mora se voditi rauna o njihovom uticaju na snienje temperature sinterovanja.2.4. Ekspandirani polistiren (EPS)EPS je polimerni materijal elijske strukture i male gustoe. Proizvodi se mijeanjem polistirena sa lako isparljivim tenostima, koje se zagrijavanjem ire i tako ekspandiraju polistiren do eljene gustoe i oblika. Granule EPS-a ne upijaju vodu i ne omekavaju u ekstruderu. Na taj nain, nakon njihovog sagorijevanja, dobivaju se sferine pore koje ne smanjuju mehaniku vrstou u tolikoj mjeri kao pore nepravilnog oblika. EPS se potpuno razgrauje u intervalu 100-700C bez ostatka pepela. Plinovi koji se pri tome oslobaaju sagorijevaju u atmosferi pei ili odlaze sa dimnim plinom [7]. Poveanjem sadraja EPS-a smanjuju se zapreminska masa, vrstoa na pritisak i toplotna provodljivost (slika 4). Ukoliko se koristi reciklirani EPS, tada je za postizanje istog efekta potrebno udvostruiti njegov sadraj [2].

Slika 4. Uticaj dodatka EPS na svojstva opeke [8]Za proizvodnju lakih opekarskih blokova sa veoma niskom toplotnom provodljivou moe se koristiti kombinovani dodatak granula EPS-a i perlitne praine. Kao rezultat peenja dobiva se porozna struktura sa bimodalnom raspodjelom veliina pora. Krupnije pore, nastale izgaranjem EPS-a su promjera 0,2 - 1,5 mm, dok su fine pore manje od 10 m. Vei udio dodataka zahtijeva glinu sa visokim sadrajem glinenih minerala, jer se sa posnijim glinama ne bi mogla postii zadovoljavajua vrstoa. Nain mijeanja gline takoe se mora modifikovati. Dio gline se razmuljava uz dodatak deflokulacionog sredstva, a zatim se u masu dodaju aditivi za poveanje poroznosti. Tek onda slijedi mijeanje sa ostatkom suhe gline. U laboratorijskim uvjetima postignuta je toplotna provodljivost od svega 0,20 W/mK uz vrstou na pritisak od 8 MPa [7].2.4. Ugalj i ugljena prainaUgalj, ugljena praina i jalovina iz rudnika uglja, kao i ostali organski dodaci u toku peenja sagrijevaju pri emu se formiraju pore unutar glinene mase. Ovi materijali se sa glinom mijeaju u toku njene pripreme pri emu se usitnjavaju i ravnomjerno disperguju u masi gline. Meutim, zbog oslobaanja velike koliine energije njihova koliina se mora ograniiti. Zato je sa ovim dodacima znatno tee postii eljenu poroznost u poreenju sa piljevinom ili papirnom pulpom. Ipak, nekolicina autora [9,10] u svojim radovima je potvrdila mogunost koritenja uglja kao dodataka za poveanje poroznosti opekarskih proizvoda. U tabeli 1. predstavljeni su rezultati ispitivanja svojstava peenih proizvoda koji sadre razliite masene udjele drvenog uglja.Tabela 1. Uticaj dodatka drvenog uglja na svojstva opeke [9]SvojstvoMaseni udio drvenog uglja

0 %2,5 %5 %10%

Zapreminska masa (kg/m3)1,801,681,631,49

Upijanje vode (%)17,818,2719,9833,21

Poroznost (%)28,9631,4535,1446,85

vrstoa na pritisak (MPa)15,014,18,97,7

Toplotna provodljivost (W/mK)0,270,2620,2520,216

3. PROBLEM OSLOBAANJA PREVELIKE KOLIINE TOPLOTE PRILIKOM SAGORIJEVANJA ORGANSKIH DODATAKAU bliskoj prolosti osnovni problem koji se javljao zbog uvoenja dodataka za poveanje poroznosti bio je sniavanje vrstoe proizvoda. Razvoj novih aditiva za poveanje vrstoe, te novih, poboljanih metoda pripreme sirovina i dodataka omoguio je postizanje do tada nedostino niskih koeficijenata toplotne provodljivosti uz vrlo malo smanjenje vrstoe. Ovaj tehnoloki napredak je, meutim, pred proizvoae opeke stavio potpuno novi problem koji se sa manje ili vie uspjeha rjeava na razliite naine. Naime, danas proizvoai opeke, da bi postigli potrebno snienje toplotne provodljivosti svojih proizvoda, ele da na raspolaganju imaju aditive koje mogu bez velikih ogranienja dodavati u sirovinu. Meutim, peenjem sirovih glinenih proizvoda koji sadre organske dodatke odvijaju se pirolitike reakcije koje dovode do procesa termikog razlaganja. Osloboeni plinovi sagorijevaju unutar samog proizvoda ili u atmosferi pei. Sve dok je toplota koja se oslobaa pri sagorijevanju manja od 400 kJ/kg, mogue je smanjenjem koliine primarnog goriva kompenzirati ovaj viak energije. [2].Velike koliine organskih aditiva koji sagorijevaju u toku peenja opeke mogu dovesti do toga da zbog oslobaanja prevelike koliine toplote doe do potpunog gubitka kontrole nad reimom peenja. Naime, za peenje 1 kg osuenog proizvoda potrebno je priblino 1000 kJ energije. Pod pretpostavkom potpunog sagorijevanja, dodaci od svega 3,3 % ugljene praine ija je kalorina mo 30000 kJ/kg, odnosno 8,3 % drvene piljevine kalorine moi 12000 kJ/kg, daju dovoljnu koliinu toplote za peenje opeke. Zbog toga, u sluaju kada se dodaju vei udjeli ovih materijala neophodno je modificirati reim peenja u tunelskoj pei. Dovod primarnog goriva je potrebno smanjiti, to je naravno povoljno sa aspekta utede energije, ali je praktino nemogue postii ravnomjerno zagrijavanje. Naime, u toku zagrijavanja glinenih proizvoda na temperaturu peenja, u dva navrata dolazi do naglog oslobaanje toplote, prvo u intervalu 300-500C zbog sagorijevanja plinovitih ugljikovodika koji se se oslobaaju prilikom karbonizacije dodataka, a zatim na oko 700C kada sagorijeva koksni ostatak.

Na slici je prikazan presjek tunelske pei koji odgovara zoni karbonizacije. U egzotermnoj reakciji sagorijevanja ugljikovodika koja se odvija u ovoj zoni oslobaa se koliina toplote . Da bi se reim peenja zadrao u zadatim okvirima mora biti zadovoljen slijedei uslov:

temperature proizvoda pri ulasku u ovu zonu pei i pri izlasku iz nje (Z1 i Z2) kao i odgovarajue temperature dimnih plinova (G1 i G2) moraju imati iste vrijednosti koje bi imale u sluaju da nema gorivih komponenata u glinenim proizvodima koji se termiki tretiraju.

Slika 5. Presjek dijela pei u kome se odvija karbonizacija organskih dodataka [11]Brojna istraivanja su pokazala da pri normalnom radu pei plinoviti ugljikovodici nastali karbonizacijom dodataka u temperaturnom intervalu 300-500C gotovo u potpunosti sagorijevaju, pa eventualno odvoenje dimnog plina sa nesagorjelim ugljikovodicima iz ove zone u cilju smanjenja koliine toplote koja se oslobaa nema znaajnijeg efekta. Ukoliko bi se reim rada pei izmijenio tako da se smanji sadraj kisika u atmosferi ovog dijela pei, dolo bi do usporavanja procesa sagorijevanja plinovitih ugljikovodika. U ovom sluaju bi dimni plin obogaen gorivim komponentama mogao biti odveden iz pei i iskoriten u neke druge svrhe. Naknadno sagorijevanje u pei nije mogue, jer jo uvijek preostaje suvie velika koliina energije koja prevazilazi potrebe termikih procesa u pei. Najefikasniji nain vraanja reima peenja u okvire optimalnog je da se vri odvoenje dimnog plina iz ove zone pei uz istovremeno dovoenje jednake koliine svjeeg zraka. Dimni plin temperature priblino 500C moe se koristiti za druge svrhe, npr. zagrijavanje tvornikog kruga i sl. [12].4. ZAKLJUAKUvoenje dodataka za poveanje poroznosti opekarskih proizvoda dovodi do znaajnih promjena tehnolokih svojstava sirovine i fizikih i mehanikih svojstava gotovih proizvoda. Od prirode dodataka zavisi na koji nain i u kojoj mjeri e se manifestirati promjene navedenih svojstava. Mineralne komponente prisutne u nekim vrstama dodataka mogu uestvovati u formiranju vrste keramike strukture i na taj nain pozitivno uticati na mehanika svojstva proizvoda. Ipak, generalno se moe konstatovati da se sa poveanjem sadraja dodataka poveava poroznost ime se smanjuje vrstoa, dok se istovremeno smanjuje toplotna provodljivost gotovih proizvoda. estice koje upijaju vodu, kao to je to sluaj sa piljevinom, omekavaju i deformiu se usljed visokih pritisaka u ekstruderu. Njihovim sagorijevanjem nastaju pore koje dovode do znatno veeg gubitka vrstoe nego to je to sluaj kada se kao dodatak koristi hidrofobni materijal, kao to je npr. EPS. Upotreba uglja i drugih materijala visoke kalorine moi za poveanje poroznosti jo uvijek nailazi na potekoe, jer se reim rada pei mora prilagoditi tako da se osigura to ravnomjernije zagrijavanje proizvoda u pei, to je najee vrlo teko postii. REFERENCE[1]Shibib, K. S., et al.: Enhancement in thermal and mechanical properties of bricks, Thermal Science, 2013, Vol. 17, No. 4, p.1119-1123

[2]Ruppik, M.: Use of organic and inorganic pore-forming agents in the brick and tile industry, Zi. Int., vol. 8, 2006, p.22-29[3]Sveda M.: The influence of sawdust on the physical properties of a clay body, Zi. Int., vol. 11, 2000, p.29-35

[4]Faller, A.: The preparation of sawdust, Zi. Int., vol. 9, 2000, p.35-45

[5]St, M., Akkurt ,S.: The Use of Recycled Paper Processing Residues in Making Porous Brick with Reduced Thermal Conductivity, Ceramics International, 35, 2625-2631, 2009[5]Chemani B., Chemani H.: Utilization of paper sludge in clay bricks industry to obtain lightweight material: Evidence from partial replacement of feldspar by paper sludge, International Journal of Physical Sciences, Vol. 8(9), pp. 335-342, 9 March, 2013

[6]Bartuch R., Melzer D., Mller P.: Backing bricks with high percentage of pore formers, ZI 3/2006, pp. 31-34

[7]Veiseh, S., Yousefi A.A.: The use of polystirene in lightweight brick production, Iranian Polymer Journanl, Vol. 12, No., 2003

[8]Freimann F, et al.: Pore-forming agents put to the test maize meal extrudate in comparison with Styropor (polystyrene), Zi. Int., vol. 7, 2004, p.14-19[9]Phonphuak, N.: Effects of Additive on the Physical and Thermal Conductivity of Fired Clay Brick, Journal of Chemical Science and Technology Apr. 2013, Vol. 2 Iss. 2, PP. 95-99[10] Phonphuak, N., Thiansem, S.: Effects of charcoal on physical and mechanical properties of fired test briquettes, Science Asia 37 (2011): 120124

[11] Junge, K.: Oversuplay of energy due to combustible additives, Zi. Int., vol. 12, 2001, p.10-14[12] Junge, K.: Additives in the brick and tile industry, Zi. Int., vol. 12, 2000, p. 25-39

vrstoanasavijanje (MPa)