Формирование структуры и свойств керамического кирпича из мергелистых глин

Производство изделий строительной керамики переживает в настоящее время второе рождение. Этому способствовал ряд объективных факторов: доступность сырьевой базывозможность получения широкого ассортимента изделий — от стеновых материалов, плиток для полов и облицовки стен, кровельных изделий до сантехнических и изделий специального назначениянизкий радиационный фонархитектурная выразительность зданий, возводимых с применением керамических материалов.

Наблюдается тенденция не только увеличения мощности предприятий строительной керамики, но и выпуска на одном предприятии различных по назначению изделий. Однако, несмотря на интенсивное развитие этих производств, промышленность еще не полностью удовлетворяет потребность строительства в таких изделиях. Ряд зарубежных фирм помогают решить эту проблему за счет поставок полностью автоматизированных технологических линий.

Среди изделий строительной керамики керамическому кирпичу отводится ведущая роль в настоящее время и на ближайшую перспективу. Кирпичная стена отвечает самым высоким требованиям комфортности и износостойкости, аккумулирует тепло, благоприятно воздействует на климат жилища. Возрастающая потребность в большом многообразии экологически чистых, качест- -венных керамических изделий вызывает необходимость изменения традиционных составов и технологий.

Налаженное производство керамического кирпича, особенно на новых современных технологических линиях, не вызывает существенных проблем при изготовлении рядового керамического кирпича марок 100−150. Тщательная переработка сырья и большая доля автоматизации процессов гарантируют стабильное качество продукции. На таком оборудовании, при отлаженной технологии, можно выпускать кирпич без традиционных дефектов: сколы углов, коробление. Однако даже самое современное оборудование не гарантирует выпуск лицевой керамики без таких дефектов как «дутики» (карбонатные включения), сушильные трещины и свиливатость. Наличие карбонатных включений не только ухудшает декоративные свойства лицевой керамики, но и, аналогично влиянию сушильных трещин, снижает морозостойкость изделий, т. е. их долговечность. Характерным регионом, где при производстве керамического кирпича из легкоплавких глин и суглинков наблюдаются перечисленные дефекты, является Башкирия.

Известные технологические решения в настоящее время не решают проблему повышения качества керамического кирпича из мергелистых глин. Разработка ее актуальна и позволит повысить кондиционность кирпично-черепичного сырья из мергелистых глин и качество керамического кирпича, устранив такие дефекты как свиливатость, сушильные трещины, «дутики». Очевидно, изучив основные причины, которые вызывают образование перечисленных дефектов, можно разработать оптимальные структуры и составы, обеспечивающие получение качественного керамического кирпича.

Цель настоящей работы — разработка составов и способов производства керамического кирпича на основе мергелистых глин, обеспечивающих устранение таких дефектов как «дутики», свиливатость, сушильные трещины. Задачи исследования:

1. Анализ причин образования таких дефектов керамического кирпича как свиливатость и «дутики», а также низкой прочности.

2. Обоснование оптимальной структуры формовочных масс, включающих глинистые компоненты и отощители, с целью устранения свиливатости.

3. Обоснование оптимального влагоизолирующего состава для улучшения сушильных свойств керамического кирпича.

4. Выбор вида добавки к глинистому сырью с карбонатными включениями, обеспечивающей образование на поверхности СаО оболочки из твердых растворов.

5. Разработка составов керамических шихт, устраняющих свиливатость.

6. Разработка составов керамических шихт, нейтрализующих вредное влияние карбонатных включений.

7. Разработка составов керамических шихт, обеспечивающих повышение прочности.

8. Проверка оптимальных составов в производственных условиях.

Научная новизна работы.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении составов и способов, позволяющих устранить такие дефекты керамического кирпича как «дутики», свиливатость, сушильные трещины.

При этом:

1. Определены причины образования таких дефектов керамического кирпича на основе мергелистых глин как свиливатость и «дутики», а также низкой прочности.

2. Обосновано влияние вида карбонатных включений на интенсивность «ду-тикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации.

3. Разработаны оптимальные модели структуры керамических шихт, обеспечивающих устранение свиливатости.

4. Впервые обоснована эффективность применения нефтешлама (нефтеиз-вестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности) в качестве влагоизолирующего состава для обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича с целью улучшения сушильных свойств.

5. Определена роль железосодержащих добавок к мергелистым глинам для нейтрализации карбонатных включений.

6. Разработаны составы, устраняющие свиливатость, нейтрализующие вредное влияние карбонатных включений, повышающие прочность керамического кирпича.

• Достоверность полученных результатов.

Обоснование составов керамических шихт на основе мергелистых глин, обеспечивающих устранение таких дефектов керамического кирпича как «ду-тики» и свиливатость, выполнено с позиций современных представлений фундаментальных наук.

Достоверность исследований обеспечена:

— количеством образцов — близнецов в партии, обеспечивающим при фактической статистической изменчивости значения исследуемых характеристик с доверительной вероятностью 0,95−0,97, при погрешности 5−10%;

— применением математических методов планирования экспериментов и статистической обработкой результатов;

— сходимостью полученных эксплуатационных данных с результатами других исследователей;

— использованием аттестованного лабораторного оборудования;

— использованием комплекса современных физико-химических методов: химического, рентгенографического, дифференциально-термического, петрографического и электронно-микроскопического;

— проверкой результатов лабораторных исследований в производственных условиях.

Основные результаты внедрены в учебный процесс.

• Практическая значимость работы.

Выполненная работа имеет большое практическое значение для:

• прогнозирования качества керамических материалов из кирпично-черепичных глин Башкирии;

• повышения кондиционности кирпично-черепичного сырья из мергелистых глин;

• повышения качества керамического кирпича и устранения таких дефектов как свиливатость, сушильные трещины, «дутики».

Реализация результатов исследований.

Разработанные составы прошли производственную проверку на Белебе-евском кирпичном заводе и Уфимском комбинате строительных материалов.

Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленной апробации используются в учебном процессе СГАСУ при подготовке инженеров по специальности 290 600 при чтении лекций и выполнении курсовых работ по дисциплине «Керамические и плавленые материалы», а также при чтении лекции по дисциплине «Совершенствование технологии производства строительных материалов» при подготовке магистровпри выполнении дипломных проектов. Отдельные разработанные положения включены в учебное пособие «Разработка составов сырьевых шихт для производства керамических материалов».

Результаты работы также рекомендуется использовать: — кирпичным заводам для устранения таких дефектов как свиливатость, сушильные трещины, «дутики», а также для повышения марки керамического кирпича по прочности;

— при организации новых кирпичных заводов;

— геологическим службам по природным ресурсам для разработки рекомендаций по использованию разведанных месторождений глинистого сырья;

— промышленным предприятиям для выбора направлений использования промышленных минеральных отходов.

На защиту выносятся:

1. Результаты оценки качества кирпично-черепичных глин Башкирии и керамического кирпича из этих глин.

2. Обоснование причин, вызывающих образование такого дефекта как свиливатость.

3. Обоснование влияния вида карбонатных включений на интенсивность «дутикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации.

4. Оптимальные модели структуры керамических шихт, обеспечивающей устранение свиливатости.

5. Способ обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича с целью улучшения сушильных свойств влагоизолирую-щим составом, в качестве которого используется нефтешлам — нефтеизвестко вая эмульсосуспензия полной заводской готовности.

6. Определении роли железосодержащих добавок к мергелистым глинам для нейтрализации карбонатных включений.

7. Зависимости изменения свойств суспензий на основе железосодержащего шлифовального шлама, применяемого для нейтрализации карбонатных, включений.

8. Составы керамических шихт, устраняющие свиливатость, нейтрализующие вредное влияние карбонатных включений, повышающие прочность керамического кирпича.

9. Результаты производственной апробации.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на международных, всесоюзных, республиканских и> межотраслевых конференциях: III международной НТК при III Международной специализированной выставке «Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство — 99″: Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, 1999) — Всероссийской XXXI науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2001) — Региональных 58−60 НТК СамГАСА «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» и «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.» (Самара, 2001, 2002, 2003) — III Международной НПК молодых ученых, аспирантов и докторантов памяти В. Г. Шухова «Современные проблемы строительного материаловедения» (Белгород, 2001) — VII Всероссийском конгрессе «Экология и здоровье человека» (Самара, 2001) — VIII Всероссийском конгрессе «Актуальные проблемы экологии человека» (Самара, 2002) — II Всероссийской научно-практической конференции «Процессы, технологии и оборудование для переработки отходов и вторичного сырья. Полигоны по захоронению отходов» (Самара, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ. Подано две заявки на изобретение.

Автор выражает искреннюю благодарность всему коллективу кафедры «Строительные материалы» Самарского государственного архитектурно-строительного университета за помощь в процессе выполнения диссертации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены составы и способы, позволяющие устранить следующие дефекты керамического кирпича из мергелистых глин: «дутики», свиливатость, сушильные трещины.

2. Для обоснования актуальности работы выполнен анализ стандартной оценки кирпично-черепичных глин Республики Башкортостан, который выявил, что Республика располагает значительными запасами кирпично-черепичного сырья. Установлено, что доля кондиционного сырья незначительна, большое количество месторождений содержат карбонатные включения. Выполнен прогноз качества керамических материалов.

3. Выполнена расчетная оценки кирпично-черепичного сырья Республики Башкортостан с помощью программного комплекса, которая показала следующее: наличие крупнозернистых карбонатных включений не могут обеспечить производство керамических изделий стабильного качествапосле тщательной переработки сырье около 50% месторождений может иметь оптимальные технологические параметры для производства спекшихся керамических материалов низких марок и около 50% месторождений без корректировки состава не может обеспечить производство качественного керамического кирпича.

4. Выполнено обоснование влияния строения и размера глинистых частиц и зерен отощителя на структуру изделий, сформованных пластическим способом. Доказано, что анизотропная структура, характерная при образования свиля, определяется гранулометрическим составом отощителя. Определено, что основной способ устранения этого дефекта — оптимизация гранулометрического состава отощителя.

5. Разработаны составы на основе глины Белебеевского месторождения, — являющейся характерным представителем кирпично-черепичного сырья с карбонатными включениями, и песка Кабановского месторождений, обеспечивающие устранение свиливатости.

6. Доказана эффективность применение нефтешлама — нефтеизвестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности в качестве влагоизолирующего состава в технологии производства керамических материалов, в частности, для обработки свежеотформованного бруса при производстве керамического кирпича.

7. Установлено, что кратковременная ультразвуковая обработка свежеотформованных образцов, покрытых нефтеизвестковой эмульсосуспензии полной заводской готовности, способствует повышению влагозадерживащей способности и улучшению сушильных свойств.

8. Доказана эффективность предварительной ультразвуковой обработки нефтешлама на повышение однородности и стабильности влагоизолирующего состава и его влагоизолирующую способность. Этот способ способствует снижению энергои трудозатрат на приготовление влагоизолирующего состава, а также открывает возможность использования «лежалого» шлама.

9. Обосновано влияние вида карбонатных включений на интенсивность «дутикообразования» с позиций контракции продуктов гидратации. Установлено, что интенсивность отрицательного воздействия карбонатов располагается в следующем ряду: кальцит > доломит > магнезит. Вероятность разрушения возрастает при увеличении величины огневой усадки и уменьшении прочности керамического черепка (керамической матрицы). Если величине огневой усадки более 10%, то вероятность разрушения от гидратации значительно возрастает. Выявлены основные причины, определяющие интенсивность вредного воздействия карбонатных включений и предложены способы, снижающие это воздействие.

10. К числу перспективных способов нейтрализации вредного влияния карбонатных включений относится способ «капсулирования» извести оболочками из твердых растворов. Установлено, что на основе СаО при кратковременном обжиге наиболее вероятным является образование твердых растворов с оксидом железа.

11. В ходе исследований установлено, что образование твердых растворов в системе СаО — ИеО возможно на поверхности обожженных карбонатных зерен в керамической шихте, содержащей железосодержащие добавки. В качестве железосодержащей добавки могут быть использованы железосодержащие отходы: пиритные огарки, шлифовальный шлам. «Капсулирование» извести и нейтрализация вредного влияния карбонатных включений достигаются при корректировке мергелистых глин 10−15% пиритных огарок, при обработке карбонатных зерен суспензией из шлифовального шлама, а также при затворении керамической шихты суспензией шлифовального шлама.