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)