Влияние рентгеноаморфных фаз керамогранитного черепка на прочностные свойства изделий

В последнее время в гражданском строительстве наблюдается увеличение спроса на изделия тонкой и архитектурно-строительной керамики [1]. В условиях конкурентной борьбы на рынке строительных материалов необходимо, чтобы свойства отечественных материалов комплексно удовлетворяли предъявляемым к ним высоким эксплуатационным требованиям [2].

Фазовый состав керамики играет исключительно важную роль в формировании эксплуатационных свойств получаемых керамических изделий [3−5]. Выявление фундаментальных зависимостей свойств керамических изделий от их фазового состава, а также умение управлять этими свойствами является одной из актуальнейших задач научных исследований в настоящее время. В керамическом граните весьма важную роль в его прочности, наряду с кристаллическими играют и рентгеноаморфные фазы — непрореагировавший метакаолинит и стекло, образовавшееся из расплава при охлаждении. Их роль неодинакова, противоречива и мало изучена [6−9].

В данной работе приведены исследования зависимости механической прочности на изгиб и истинной плотности образцов керамического гранита (таблица 1), полученного из различных шихтовых составов разработанных автором [10], от его фазового состава, установленного методами рентгенофазового и петрографического анализа (таблица 2).

Анализ прочности и плотности исследуемых образцов, в зависимости от влияния на них кристаллических и индивидуально каждой из рентгеноаморфных фаз позволили установить следующие закономерности.

В составе керамогранита 0, на основе огнеупорной глины ДН-2 и щелочного каолина, с использованием в качестве плавня полевого шпата, формируется черепок с высокой плотностью 2,53 г/см³ и высокой прочностью на изгиб 51,90 МПа. Это обусловлено образованием в структуре образца повышенной суммы кристаллических фаз 21,0% и стеклофазы 55,0% с относительно невысоким содержанием псевдокристаллического аморфизированного метакаолинита 24,0%.

Таблица 1. Механическая прочность на изгиб и истинная плотность образцов.

Таблица 2. Фазовый состав образцов.

Образец керамогранита 2, в составе шихты которого глинистая часть не менялась по сравнению с базовым образцом, а был лишь заменен полевой шпат на цеолитовый туф, по структуре и свойствам в общем аналогичен базовому. Однако в его структуре повышенное количество стеклофазы 66,0% и наименьшее количество 14,5% метакаолинита обусловило наибольшую прочность на изгиб 68,97 МПа и наивысшую истинную прочность черепка 2,58 г/см³. Повышение механической прочности и истинной плотности обданного образца свидетельствует об эффективности применения цеолитового туфа в качестве керамического плавня.

На этом примере зависимости плотности структуры и прочности керамогранита от содержания кристаллических фаз и от соотношения рентгеноаморфного стекла и оставшегося свободным псевдокристалического аморфизированного метакаолинита убедительно подтверждается значение стеклофазы, образовавшейся из жидкой фазы и выполняющей роль связи всех фаз в единый композит, в повышении прочности керамики. При этом, чем меньше в структуре керамики метакаолинита, тем выше её прочность, как это имеет место в твёрдом фарфоре.

Эта закономерность влияния различных фаз и особенно рентгеноаморфных на структуру и прочность керамогранита справедлива и при анализе образцов 9 и 9.3, полученных из других составов шихт. В этих составах количество глинистого вещества в шихте было увеличено на 30%, за счет уменьшения содержания керамического плавня, в роли которого в образце 9 выступает цеолитовый туф, а в образце 9.3 цеолитовый туф совместно с габбро-диабазом (при соотношении цеолита к габбро-диабазу 10:15).

В этих образцах структура керамогранита существенно изменилась по сравнению с образцом 0. Сумма кристаллических фаз резко снизилась до 12,5−13,0%, количество стеклофазы увеличилось до 57,5 и 64,0%, а количество метакаолинита составило 30,0% и 23,0% соответственно. Изменению фаз закономерно соответствует и изменение свойств: уменьшение количества кристаллических фаз, а также повышение содержания метакаолинита в образце 9 до 30,0% обусловило снижение плотности керамогранита до 2,45 г/см³ и снижению его механической прочности до 50,2 МПа. Снижения количества кристаллических фаз и практически равном содержании метакаолинита в образце 9.3 привело к снижению истинной плотности образца до 2,49 г/см³, однако за счет увеличения содержания стеклофазы до 64,0% механическая прочность на изгиб даже увеличилась в сравнении с образцом 0.

Исключительно важным выводом для этих образцов является следующее. Снижение суммы кристаллических фаз вполне объяснимо увеличением в шихтах 9 и 9.3 количества глины что обусловливает повышенным содержанием метакаолинита, лишь часть которого уменьшилась за счёт образования муллита, а большая часть осталась свободной. В образце 9.3 пониженное содержание 23,0% метакаолинита объясняется снижением вязкости образовавшейся жидкой фазы, в которой растворилась часть метакаолинита, что подтверждается увеличением количества стеклофазы. фаза керамогранит черепок прочность В результате проведенного исследования установлена особенность формирования общей структуры керамического гранита путем обволакивания его частиц жидкой фазой, и превращении в единый композит повышенной прочности при охлаждении и затвердевании жидкой фазы. Выявлена закономерность влияния различных фаз и особенно рентгеноаморфных, на структуру и прочность керамогранита с различным составом шихт. Установлено, что прочность готовых изделий на изгиб повышается с увеличением количества кристаллической и стекловидной фаз. Причём, даже при значительном уменьшении суммы кристаллических фаз в структуре керамогранита, высокие показатели его прочности на изгиб обеспечиваются повышенным содержанием стеклофазы. Метакаолинит же, напротив, снижает прочность керамики вследствие своей аморфной, псевдокристаллической структуры.

• 1. Котляр В. Д., Лапунова К. А., Терёхина Ю. В. Перспективы производства фигурного керамического кирпича на основе опок // Инженерный вестник Дона, 2012, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/946
• 2. Набокова Я. С. Эффективные строительные материалы и способы возведения зданий // Инженерный вестник Дона, 2008, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2008/96
• 3. Рыщенко М. И., Федоренко Е. Ю., Чиркина М. А. Микроструктура и свойства низкотемпературного фарфора // Стекло и керамика. 2009. № 11. С. 26−29
• 4. Боркоев Б. М. Изучение структуры и свойств фарфора низкотемпературного обжига // Международный журнал экспериментального образования. 2012. № 6. С. 98- 100
• 5. Romagnoli, M., 2005. Optimizing stain resistance in tile. American Ceramic Society Bulletin, 4: 9301−9304.
• 6. Салахов А. М., Салахова Р. А. Керамика вокруг нас.- М.: РИФ «Стройматериалы». 2008. 160 с.
• 7. Baucia Jr, J.A., L. Koshimizu, C. Giberton and M.R. Morelli, 2010. Estudo de fundentes alternativos para uso em formulaзхes de porcelanato. Cerвmica, 56: 262−272.
• 8. Позняк А. И., Левицкий И. А., Баранцева С. Е. Базальтовые и гранитоидные породы как компоненты керамических масс для плиток внутренней облицовки стен // Стекло и керамика. 2012. № 8. С. 17−22.
• 9. Gacki, F., 2011. Selected application properties of gres porcellanato tiles. Materialy ceramiczne (Ceramic materials), 2: 301−309.
• 10. Зубехин А. П., Верченко А. В., Галенко А. А. Получение керамического гранита на основе цеолитсодержащих шихт // Строительные материалы. 2014. № 4. С.52−54

References

• 1. Kotlyar V.D., Lapunova K.A., Terekhina Yu.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/946.
• 2. Nabokova Ya.S. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2008, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2008/96.
• 3. Ryshchenko M.I., Fedorenko E.Yu., Chirkina M.A. Steklo i keramika. 2009. № 11. pp. 26−29.
• 4. Borkoev B.M. Mezhdunarodnyy zhurnal eksperimental’nogo obrazovaniya. 2012. № 6. pp. 98- 100.
• 5. Romagnoli, M., 2005. American Ceramic Society Bulletin, 4: 9301−9304.
• 6. Salakhov A.M., Salakhova R.A. Keramika vokrug nas [Ceramics around us]- M.: RIF «Stroymaterialy», 2008. 160 p.
• 7. Baucia Jr, J.A., L. Koshimizu, C. Giberton and M.R. Morelli, 2010. Cerвmica, 56: 262−272.
• 8. Poznyak A.I., Levitskiy I.A., Barantseva S.E. Steklo i keramika. 2012. № 8. pp. 17−22.
• 9. Gacki, F., 2011. Materialy ceramiczne [Ceramic materials], 2: 301−309.
• 10. Zubekhin A.P., Verchenko A.V., Galenko A.A. Stroitel’nye materialy. 2014. № 4. pp.52−54.

Аннотация

В статье рассматривается зависимость механической прочности на изгиб керамического гранита от содержания и вида фаз, слагающих его черепок. Установлено, что высокие прочностные характеристики изделий достигаются за счет повышенного содержания суммы кристаллических фаз и стеклофазы. Увеличение же количества метакаолинита в составе керамогранитного черепка, напротив, ведет к снижению его прочности.

Ключевые слова: керамический гранит, структура, кристаллическая фаза, рентгеноаморфная фаза, стеклофаза, прочность на изгиб.