Высокопрочные керамические стеновые изделия из легкоплавких глинистых и опал-кристобалитовых пород

Актуальность темы

.

Одна из самых актуальных технологических проблем современности состоит в создании новых материалов и их масштабном производстве: Одним из направлений современной архитектуры является постепенный возврат от однообразной крупнопанельной застройки к домостроению с использованием новых строительных и отделочных керамических материалов высокого качества.

Современные ограждающие конструкции претерпевают серьезные изменения.

Введение

повышенных требований к теплозащите зданий и сооружений с целью снижения затрат на отопление зданий привело к применению многослойных конструкций наружных стен, в которых облицовочный слой отделен плитным утеплителем от конструктивной части стены, что ухудшает его температурный режим и повышает число циклов^ замораживания и оттаивания. Столь серьезное качественное изменение физических процессов в наружных ограждающих конструкциях должно обеспечиваться изменением требований к физическим свойствам материалов.

Одной из оптимальных является конструкция стены, состоящая из пустотело-поризованных керамических блоков, облицованных клинкерным кирпичом. Именно по этой причине в ряде зарубежных стран, а в последние годы и в России, стали применять для возведения стен зданий крупноформатные пустотело-поризованные керамические блоки и керамический клинкерный кирпич с повышенными характеристикамипо прочности и морозостойкости.

Современная технология производства пустотело-поризованной керамики позволяет достичь сочетания низкой теплопроводности и высокой «марочности» изделий. Однако, интенсивное развитие производства пустотело-поризованной керамики ограничивается двумя основными факторами:

— необходимость технического перевооружения большинства заводов стеновой керамики;

— не всякое глинистое сырье отвечает требованиям, предъявляемым к сырью для производства данного вида продукции.

В России клинкерный кирпич производится в ограниченных объемах, поэтому в значительном количестве он завозится из-за рубежа по очень высокой цене. По причине ограниченности запасов и достаточно высокой температуры (не ниже 1350°С) спекания тугоплавких глин, которые традиционно применялись для производства клинкерных изделий, существует необходимость применения широко распространенных полиминеральных легкоплавких глинистых пород, модифицированных различными добавками.

Таким образом, учитывая тонкопористую структуру и высокую химическую активность опал-кристобалитовых пород, исследования по модификации легкоплавких полиминеральных глин опал-кристобалитовыми породами и разработка технологии производства высокопрочных, высокоэффективных и морозостойких керамических стеновых изделий на их основе являются весьма актуальными.

Цель работы — получение на основе легкоплавких полиминеральных глин и добавок опал-кристобалитовых пород (опок, трепелов, диатомита): клинкерного фасадного кирпича и пустотело-поризованных стеновых изделий с повышенными показателями прочностных и теплоизоляционных свойств.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Исследовать физико-химические и технологические свойства распространенного полиминерального легкоплавкого глинистого сырья и опал-кристобалитовых пород.

2. Исследовать влияние добавки различных опал-кристобалитовых пород на технологические характеристики легкоплавких глин.

3. Исследовать физико-технические свойства, структуру и фазовый состав керамических материалов на основе легкоплавких глин, модифицированных опал-кристобалитовыми породами.

4. Опытным путем определить в композициях оптимальное соотношение полиминеральной глины и добавок опал-кристобалитовых пород для производства различного вида керамических стеновых изделий, как пустотело-поризованных, так и клинкерных.

5. Разработать технологический регламент производства керамических стеновых материалов с высокими показателями по прочности и морозостойкости.

Научная новизна.

Разработаны научные предпосылки для получения керамического кирпича с высокими характеристиками по прочности и морозостойкости из композиций полиминеральных легкоплавких глин с опал-кристобалитовыми породами (диатомит, трепел, опока).

Показана возможность получения керамических клинкерных изделий из композиции полиминеральных легкоплавких глин и диатомита путем направленного регулирования состава и режима обжига с целью синтеза в черепке новообразований в виде кристобалита и повышенной доли стеклофазы при температуре обжига 1100−1170°С.

Установлено, что высокие прочностные свойства пустотело-поризованных изделий из композиций полиминеральных легкоплавких глин и трепела обусловлены образованием в черепке волластонита и повышенной доли стеклофазы при температуре обжига 1050 °C.

Практическая значимость.

Разработаны составы композиций для производства высокопрочного клинкерного кирпича методом пластического формования на основе легкоплавких полиминеральных глин и диатомита.

Разработан технологический регламент производства высокопрочного лицевого клинкерного кирпича на основе легкоплавкой полиминеральной глины и диатомита на заводе ОАО «Алексеевская керамика» .

Разработан технологический регламент производства теплоизоляционных керамических материалов на основе легкоплавкой полиминеральной глины и трепела для кирпичного завода в г. Алатырь.

Полученные результаты по улучшению сушильных свойств с вводом в состав шихты опал-кристобалитовых пород использованы Казанским комбинатом строительных материалов при разработке технологического регламента по выпуску керамических изделий улучшенного качества.

Реализация результатов исследования.

Результаты исследований легли в основу технологического регламента производства керамических стеновых изделий и подготовительных работ по созданию цеха по производству клинкерных изделий мощностью 6 млн. штук кирпича нормального формата в год на заводе ОАО «Алексеевская керамика» (Алексеевский район, РТ).

Также разработан технологический регламент производства теплоизоляционных керамических изделий мощностью 60 млн. штук кирпича нормального' формата в г. Алатырь (Республика Чувашия) мощностью бОмлн. штук кирпича нормального формата в год.

На защиту выносятся:

Результаты исследования:

— физико-химических и технологических свойств распространенного полиминерального легкоплавкого глинистого сырья и опал-кристобалитовых породвлияния добавок различных опал-кристобалитовых пород на технологические характеристики легкоплавких полиминеральных глин;

— физико-технических свойств изделий, полученных при различных режимах обжига;

— структуры, фазового состава и эксплуатационных свойств керамики на основе легкоплавких полиминеральных глин, модифицированных опал-кристобалитовыми породами;

— рациональных составов сырьевой шихты и технологические регламенты производства керамических стеновых изделий с высокими показателями по прочности, морозостойкости и теплозащитным свойствам.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-практической конференции «Развитие керамической промышленности России: КЕРАМТЭКС» (г.Санкт-Петербург, 2008 г.- г. Казань, 2009 г.) — III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (г.Пенза, 2008 г.) — XV Академических чтениях РААСН — международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (г.Казань, 2010 г.) — Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Керамика и огнеупоры: перспективные решения и нанотехнологии» (Белгород, 2010 г.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в 12 научных статьях, из них 7 в рецензируемых научных журналах и изданиях по списку ВАК РФ и в двух монографиях.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 134 источника, и 5 приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 50 рисунков и 26 таблиц.

Основные выводы.

1. На основании проведенных исследований показана возможность производства на основе легкоплавкого полиминерального глинистого сырья и опал-кристобалитовых пород фасадного клинкера и пустотело-поризованных стеновых керамических изделий.

2. Доказана возможность производства клинкерных керамических стеновых изделий при более низких температурах обжига 1100−1170°С (на 100−150°С ниже традиционно применяемых температур при обжиге тугоплавких глин), то есть по менее энергоемкой технологии марки М-600, F-150 плотностью 2310кг/м и с водопоглощением не более 2%.

3. Установлено, что с повышением температуры обжига в интервале температур 1000−1170°С для производства клинкерных стеновых изделий в композиции легкоплавкой глины Алексеевского месторождения с диатомитом Инзенского месторождения (соотношение глины и диатомита 70:30) содержание полевых шпатов и кварца сокращается, существенно возрастает содержание кристобалита, существенно повышается доля стеклофазы, сопровождающееся существенным увеличением прочности образцов при сжатии с 80 до 120МПа и при изгибе с 27 до 50МПа.

4. Установлено, что при обжиге для производства пустотело-поризованных изделий из композиции легкоплавкой глины Атратьевского месторождения с карбонатистым трепелом Ново-Айбесиновского месторождения (соотношение 60:40) формируются кристаллические новообразования, в том числе волластонит, и повышенная доля стеклофазы, что подтверждается высокой прочностью при сжатии и при изгибе. Получены полнотелые легковесные изделия марки М-250 плотностью 1260кг/м3 и пустотелые легковесные изделия л марки М-175 плотностью 800кг/м с водопоглощением 20%.

5. Установлено, что при обжиге композиции полиминеральной глины с трепелом поры размером 2-Змкм равномерно распределены по объему образца, что позволяет сочетать прочность с низкой плотностьюв процессе обжига композиции полиминеральной глины с диатомитом наблюдаются поры нанометрового диапазона и более крупные поры (2-Змкм). Выявлено, что поры размером менее 1мкм, равномерно распределенные по объему, не снижают прочностных свойств изделий.

6. Разработан и утвержден на заседании технического совета завода ОАО «Алексеевская керамика» технологический регламент производства керамических стеновых материалов, в том числе клинкерных, на основе глины Алексеевского месторождения Республики Татарстан с добавлением диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области. Совместно с заводом ОАО «Казанский комбинат строительных материалов» разработан технологический регламент по выпуску конструкционно-поризованных керамических стеновых материалов. Разработан технологический регламент производства теплоизоляционных керамических изделий на строительство кирпичного завода мощностью бОмлн. штук условных кирпичей нормального формата в год в Алатырском районе Республики Чувашия.

Заключение

.

Приведенный обзор литературных данных позволяет сделать определенное заключение. В России на сегодняшний день остро стоит проблема увеличения объемов производства керамических пустотело-поризованных блоков, которые используются при возведении стен, и керамического фасадного клинкера.

Клинкерный кирпич производится в ограниченных объемах, в связи с чем в нашу страну завозятся дорогостоящие изделия Европейских заводов. По причине ограниченности запасов и достаточно высокой температуры спекания тугоплавких глин, которые традиционно применялись для производства клинкерных изделий, существует необходимость применения широко, А распространенных полиминеральных легкоплавких глинистых пород, модифицированных различными добавками.

Современная технология производства пустотело-поризованной керамики позволяет достичь сочетания низкой теплопроводности и высокой «марочности» изделий. Однако, интенсивное развитие производства пористо-пустотелой керамики ограничивается необходимостью технического перевооружения большинства заводов стеновой керамики и определенными предъявляемыми требованиями к глинистому сырью для производства данного вида продукции.

Природная сырьевая база с развитой микропористостью включает группу осадочных глинистых пород, сложенных преимущественно опалом и кристобалитом (диатомиты, трепелы, опоки). Наличие аморфной активной кремнекислоты и тонкопористая структура обусловливают их использование в различных отраслях хозяйственной деятельности. Спекаемость кремнистых пород являлась предметом исследований во многих работах. Происходящая при спекании усадка лишь частично уменьшает естественную пористость осадочной породы в условиях начального остеклования. Если спекание проводить при температуре плавления, можно получить стекловидную почти беспористую массу. Опыт спекания показывает возможность регулирования пористости, плотности и прочности обжигаемой породы. Решение задачи снижения плотности черепка при использовании добавок должно сопровождаться и решением задачи повышения его прочности. Тонкопористая структура опал-кристобалитовых пород делает их весьма перспективным компонентом керамического производства.

Важнейшей задачей в области производства керамических стеновых изделий является установление закономерностей между структурой материала и его эксплуатационными свойствами.

Рабочая гипотеза.

На основе данных литературного обзора и результатов проведенных исследований выдвигается следующая рабочая гипотеза: производство высокопрочных, в том числе клинкерных, керамических стеновых изделий из легкоплавких полиминеральных глин возможно при использовании в качестве модификаторов различных опал-кристобалитовых пород, обладающих тонкопористой структурой и высокой химической активностью. Необходимым условием производства является правильно построенный режим обжига, в результате которого формируется необходимый фазовый состав и оптимальная структура пор.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать физико-химические и технологические свойства распространенного полиминерального легкоплавкого глинистого сырья и опал-кристобалитовых пород.

2. Исследовать влияние добавки различных опал-кристобалитовых пород на технологические характеристики легкоплавких глин.

3. Исследовать физико-технические свойства, структуру и фазовый состав керамических материалов на основе легкоплавких глин, модифицированных опал-кристобалитовыми породами.

4. Опытным путем определить в композициях соотношение полиминеральной глины с добавками опал-кристобалитовых пород для производства различного вида керамических стеновых изделий, как пустотело-поризованных, так и клинкерных.

5. Разработать технологический регламент производства керамических стеновых материалов с высокими показателями по прочности и морозостойкости.

Глава 2. Физико-химические и технологические свойства исходных сырьевых материалов. Методы исследований.

2.1. Физико-химические и технологические свойства исходных сырьевых материалов.

2.1.1. Полиминеральные легкоплавкие глины.

Отбор сырьевых материалов производился согласно ГОСТ 9169–75 Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация.

Для испытаний были выбраны широко распространенные на территории России легкоплавкие (огнеупорность менее 1350°С) полиминеральные полукислые (содержание А12Оз менее 14%) монтмориллонитовые глины четырех месторождений:

1. Алексеевское месторождение (Республика Татарстан).

2. Атратьевское месторождение (Республика Чувашия).

3. Ключищинское месторождение (Республика Татарстан).

4. Кунгурское месторождение (Пермский край).

Исследованные глины по физико-химическим свойствам характеризуются как низкодисперсные (содержание частиц размером менее 1мкм от 15% до 40%), умереннопластичные (число пластичности 7−15) и среднепластичные (число пластичности 15−25), с низким содержанием крупнозернистых включений (количество включений размером более 0,5 мм менее 1%), кроме глины Ключищинского месторождения (со средним содержанием крупнозернистых включений), без активных карбонатов, среднетемпературного спекания (температура спекания 1100−1300°С), среднечувствительные к сушке (100−180 секунд по методу А. Чижского).

Основные технологические свойства испытанных глин представлены в таблицах №№ 2.1−2.6. На рисунках 2.1−2.4 представлены графики кривых Бигота для определения критической влажности глин.

Химический состав глин п/п Химический состав сухого вещества, %.

БЮг ТЮ2 А1203 Ре203 МпО СаО Ка20 К20 Р203 БОз общ. ППП Сумма.

1 68,46 0,72 10,50 4,51 — 4,81 2,22 2,31 — - 0,14 6,27 99,94.

2 68,61 0,83 12,37 5,27 0,07 1,33 1,07 0,89 2,11 0,11 0,30 7,1 100,06.

3 65,31 0,74 11,03 4,07 0,09 5,05 2,40 1,00 2,25 0,31 0,13 7,68 100,06.

4 62,16 0,81 13,02 6,16 0,12 4,17 2,24 1,61 1,93 0,12 0,02 7,49 99,85.