Красноясрк, Красноярский край, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
В современных условиях для производства строительной керамики используется глинистое сырье мелкозернистой структуры. Поставленная задача применения грубодисперсных нетрадиционных непластичных компонентов в составах керамических масс и выбор рациональных размеров их зерен является актуальной. Исключение предварительного измельчения предопределяет снижение энергозатрат и как следствие себестоимости готовой продукции. В работе предложен вариант использования диопсидового концентрата различной величины зерна в композициях составов с незначительными добавками глины и раствора силиката натрия. Решены вопросы развития напряжений на границе контакта зерна и связки, которые при отрицательном исходе не представляют возможным получение прочной структуры керамического черепка. Выявлено присутствие незначительного напряжения, образованного в результате взаимосвязи диопсида и формирующейся стеклофазой, которое не препятствует рассмотреть вероятность получения керамического материала. Исследование поведения образцов керамики с содержанием диопсида различного гранулометрического состава при добавлении раствора натрий-силикатного стекла после формования и обжига показало эффективность использования диопсидового концентрата в 100–150 мкм. Контакты таких размеров диопсида при формовании обволакиваются жидким стеклом. При обжиге образовывается стеклофаза. При этом диопсид частично оплавляется, но сохраняется и существует как самостоятельная единица. Меньший размер зерна при спекании требует большего количества стеклофазы, что приводит к структурным напряжениям, а при большем размере – образовывается недостаточно стеклофазы и значительно уменьшается прочность материала. При изучении влияния размера зерна на свойства образца получены результаты показателей водопоглощения 7 %, механической прочности при сжатии – 36 МПа, при изгибе – 17 МПа. Установлено, что дисперсность диопсида в 100–150 мкм позволяет разработать технологию применения грубозернистого сырья в керамической массе.
дисперсность, диопсидовый концентрат, глина, натрий-силикатное стекло, водопоглощение, прочность
Введение.
Проблема истощения месторождений глин и суглинков, применяемых в производстве строительных облицовочных керамических материалов стоит достаточно остро. В связи с чем поиск нового вида сырья является актуальной задачей. В последнее время все чаще ученые начали обращать внимание на местные нетрадиционные сырьевые ресурсы, в частности на непластичные кварц, полевой шпат, волластонит, диопсид и др.
Известно, что получение керамического материала на основе техногенного и природного сырья с упрочненной структурой возможно при добавлении в составы волластонита до 10 %. Огневая усадка в отличие от изделий с привычными компонентами снижается до 1-4 %, а прочность при сжатии возрастает и составляет от 35 МПа до 50 МПа [1].
Применение непластичного сырья в композициях керамических масс дает возможность уменьшить толщину облицовочных плиток на 30 % и как следствие сократить потребление сырья до 20 %, топлива, и повысить объемы производства. При этом результаты значений физико-механических свойств после прессования и обжига достаточно велики. Необходимо отметить, что при увеличении содержания непластичного сырья в составе керамической массы механическая прочность при изгибе возрастает на 35 % и 50 % после формования и сушки соответственно. Усадка таких изделий после обжига минимальна, она составляет 0,2-0,3 % [2].
Введение непластичного сырья, в частности волластонита месторождения Кaрa-Кoрум при минимальном содержании оксидов железа, титана и щелочных металлов в керамическую массу в количестве 20 % после обжига при температуре 1100 оС возможно получение облицовочной плитки с высокими показателями прочности при изгибе (90 МПа), усадкой 4 %, термостойкостью 190 оС, водопоглощением 3% [3].
Таким образом, введение в составы керамических масс непластичных материалов позволяет при уменьшении температуры обжига значительно снизить усадку изделий, повысить прочностные характеристики. В связи с чем появляется вероятность получения крупноразмерных плит.
Традиционно измельчение непластичного сырья в композициях с глиной методом мокрого помола осуществляется до размера зерна в 60 мкм.
Авторами [4-6] решены вопросы применения непластичных компонентов в составах с глинистым сырьем с предельно допустимой дисперсностью зерна. Таким образом, при 0,5-1,25 мм кварцевого зерна, 1,25-3 мм полевых шпатов, 3-5 мм шлака получены образцы с высокими эксплуатационными свойствами. При расчете температурных напряжений со значением связки до 40 % выявлено, что напряжения, соответствующие 10-30 % устойчивы для получения прочной керамики.
Получен керамический материал в композицию которого входили грубозернистые массы при размере зерна 2,5-3 мм непластичного природного и техногенного сырья (кварц-полевошпатовый сорский песок, зола, шлак) с высокими физико-механическими свойствами. Вследствие увеличения зерна до 5-10 мм, толщина изделия была увеличена в 2 раза, а показатели прочности при изгибе и сжатии составили 31 МПа и 290 МПа соответственно, значение морозостойкости показало более 50 циклов [7].
В данной работе решались задачи использования грубодисперсного непластичного сырья в качестве основного компонента в керамической массе и его влияние на свойства материала.
Материалы и методы.
Исследовались образцы керамических масс, отличающихся процентным наполнением компонентов, которые распределились следующим образом: М1 – 75 % диопсид [8], 15 % жидкое стекло, 10 % глина; М2 – 80 % диопсид, 10 % жидкое стекло, 10 % глина; М3 – 80 % диопсид, 15 % жидкое стекло, 5 % глина; М4 – 85 % диопсид, 15 % жидкое стекло [9-10].
Диопсидовый концентрат – основное звено в композиции. Это продукт обогащения Бурутуйского месторождения Слюдянской группы Южного Прибайкалья [11]. Является видом минерального непластичного сырья, отличается высокими физико-механическими характеристиками, в том числе прочностными и диэлектрическими, оказывает сопротивление воздействию кислот, солей, газов, щелочей. Его добавка в керамические массы снижает температуру обжига до 1000 °С [12-13].
Глина Компановского месторождения присутствовала для обеспечения пластичности. Является высокодисперсной каолинитовой с примесью монтмориллонита, характеризуется как тугоплавкая, среднепластичная, термически устойчива и обладает высокой связующей способностью.
Раствор из силиката натрия, обеспечивал работу плавня. Имеет степень силикатного модуля равный 3, по виду щелочного катиона является натриевым, плотность раствора – 1425 кг/м3.
Выполнялось исследование на предмет воздействия диопсида разного гранулометрического состава и вида его формования на свойства керамического материала. Размер зерен образцов варьировался от 80 мкм до 515 мкм. При прессовании образцов при влажности 10-12 % под давлением 20 МПа использовался полусухой способ. Исследуемые образцы обжигались при 800-1250 оС, где выдерживалась пауза в 50 оС на протяжении 30 мин.
При помощи современных способов исследований определялись физико-механические свойства образцов. Предел прочности при сжатии и изгибе устанавливался в соответствии со стандартной методикой на формах в виде балочек с использованием прецизионного пресса, водопоглощение фиксировалось на плитках массой не менее 50 г путем насыщения их водой при кипячении в течение 1 часа в соответствии с требованиями ГОСТ 27180-2002.
Метод ситового анализа с помощью лабораторных сит использовался для определения дисперсности. Диопсид просеивался через сита номеров менее 0,08, 0,08, 0,14 и 0,515 мм.
Получение гранулометрического состава происходило сухим способом на механическом приборе типа Ротап.
Результаты и обсуждения.
Каркас керамики из грубодисперсных масс формируется на счет зерен непластичного сырья и связывающих их тонкодисперсных составляющих. Структурные и прочностные характеристики такого материала наряду со степенью уплотнения зависят в том числе и от взаимодействия зерна и его оболочки. Влияние термических напряжений внутри и на границе зерна, величина коэффициентов термического расширения и модуль упругости также велико.
Расчет термических напряжений на границах зерен диопсидового сырья производился для установления их максимальных размеров.
На основании анализов напряжений (рис. 1), можно сказать, что возможность использования в керамике грубозернистого диопсида имеется, поскольку возникающие напряжения между его зернами и жидкой фазой, образованной легкоплавкими компонентами в глине и стеклом невелики при использовании непластичного сырья зернистостью до 200 мкм.
Графики влияния размера зерна диопсида на водопоглощение и прочность (рис. 2, 3) отмечают рост показателей водопоглощения и снижение прочности после обжига (1000 оС) при увеличении дисперсности непластичного сырья.
Состав М1 отличается от других составов наименьшим значением водопоглощения, который варьируется от 13 % (150 мкм) и 5 % (515 мкм). Добавка в композицию диопсидового сырья в количестве 5 % ведет к увеличению водопоглощения до 6 % и 7 % при 150 мкм и 13 % и 15 % при 515 мкм у масс М2 и М3 соответственно. Размер зерна в 150 мкм обеспечивает показатель водопоглощения для состава без глинистого сырья (М4) в 5,5 %, когда как при 515 мкм – 12,6 %.
При дисперсности диопсида в пределах от 100 до 150 мкм керамические образцы обладают наибольшими прочностными характеристиками. Необходимо отметить, что размер зерна менее 80 мкм или более 150 мкм не обеспечивает достаточной прочности материалу.
Градация образцов по величине прочности при дисперсности в 100-150 микрон распределилась следующим образом: образцы М3 и М4 с наибольшим содержанием диопсидового концентрата и раствора силиката натрия занимают более высокое положение на кривой графика, их показатели составляют 36 МПа и 30 МПа соответственно, далее разместились составы М1 и М2 с прочностью 22,2 МПа и 24,2 МПа с добавлением 10 % глинистого сырья.
Состав М3 по всем показателям превосходит другие керамические образцы (рис. 4). Его рецептура содержит 80 % диопсидового концентрата, 15 % натрий-силикатного раствора и 5 % глины, что при дисперсности основного компонента в 100 мкм гарантирует материалу при спекании на 1000 °С прочность при сжатии до 33 МПа, водопоглощение 6 % и незначительную усадку 0,3 %, а при обжиге на 1100 °С прочность при сжатии достигает 35 МПа, водопоглощение составляет 6,2 %, усадка 0,4 %.
Выводы.
Достаточные показатели физико-механических свойств образцов (табл. 1) при дисперсности диопсидового сырья в 100-150 мкм можно обосновать тем, что при обжиге керамический черепок образца макроармируется оплавленными зернами диопсида при образовании стеклофазы за счет включения в состав раствора натрий-силикатного стекла и микроармируется в итоге разрушения структуры и благодаря появлению новых фаз в виде анортита, монтмориллонита, гидромусковита и карбоната кальция, что подтверждают термический и рентгенофазовый анализы материала (рис. 5, 6). На термограммах кривая ДТА показывает эндоэффект при 910-940 оС, на рентгенограмме выявлены пики анортита (d=0,405; 0,318 нм) [14].
Проведенными исследованиями установлено влияние размера зерна диопсидового сырья на изменение физико-механических свойств керамического материала. Дисперсность в 100-150 микрон предопределяет значения прочности и водопоглощения в пределах 23-36 МПа и 5-7 % соответственно.
1. Меньшикова В.К. Состояние и тенденции развития рынка строительной облицовочной керамики в регионе // Проблемы развития рынка товаров и услуг: перспективы и возможности субъектов РФ. Материалы V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Сибирский федеральный университет, Торгово-экономический институт. 2019. С. 495-498.
2. Енджиевский С.Л., Карасев М.С., Булычев Т.И. Повышение физико-механических характеристик керамических изделий // Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации. Сборник материалов XVI международной научно-практической конференции. 2018. С. 78-80.
3. Столбоушкин А.Ю. Влияние добавки волластонита на формирование структуры стеновых керамических материалов из техногенного природного сырья // Строительные материалы. 2015. № 8. С. 13-17.
4. Позняк А.И. Левицкий И.А., Баранцева С.Е. О повышении механической прочности керамических плиток на стадиях прессования и сушки // Техника и технология силикатов. 2015. Т. 21. № 1. С. 2-6.
5. Патент 2525414 Российская Федерация, МПК C04B33/132. Керамическая масса для изготовления строительных изделий и керамических плиток / С.Ж. Жекишев, Н.И. Кудряшов; заявитель и патентообладатель Фед. гос. бюдж. обр. учр. высш. проф. образ. Рос. хим-технол. ун-т им. Д.И. Менделеева. N 2013107113/03; заявл. 19.02.2014; опубл. 10.08.2015, Бюл. № 22. 7 с.
6. Верещагин В.И., Шильцина А.Д., Селиванов Ю.В. Моделирование структуры и оценка прочности строительной керамики из грубозернистых масс // Строительные материалы. 2007. № 6. С. 65-68.
7. Шильцина А.Д., Верещагин В.И. Спекание, фазообразование и свойства керамических плиток с применением диопсидового и глинистого сырья Хакасии // Стекло и керамика. 2000. № 3. С. 13-16.
8. Верещагин В.И., Бурученко А.Е., Мушарапова С.И., Меньшикова В.К. Влияние дисперсности непластичных компонентов керамических масс на спекание и свойства строительной керамики // Строительные материалы. 2015. № 8. С. 64-67.
9. Бурученко А.Е., Меньшикова В.К. Применение нового современного вида сырья в производстве керамической плитки // Современные материалы, техника и технология. Материалы 4-й междуна. науч.-практич. конф. (25-26 декабря 2014 года) / редкол. А.А. Горохов; Юго-Зап.гос. ун-т, ЗАО «Университетская книга». Курск, 2014. С. 102-104.
10. Vereshchagin V.I., Buruchenko A.E., Menshikovа V.K., Mogilevskaya N.V. Ceramik materials based on diopside // Glass and Ceramics. 2011. Т. 67. №11-12. P. 343-346.
11. Верещагин В.И., Бурученко А.Е., Меньшикова В.К. Безусадочный облицовочный керамический материал на основе диопсидового сырья // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1-1. C. 13.
12. Меньшикова В.К., Демина Л.Н. Модификация керамического состава сырьевыми материалами Сибирского региона [Электронный ресурс]. URL: https://esj.today/02savn420.html (дата обращения: 28.09.2020).
13. Бурученко А.Е., Верещагин В.И., Меньшикова В.К. Малоусадочная керамика на основе долеритовых мелкодисперсных отходов щебеночного производства // Стекло и керамика. 2019. № 11. С. 119-123.
14. Buruchenko A.E., Men'shikovа V.K., Vereshchagin V.I. Low-shrinkage ceramic based on fine-grained dolerite wastes from crushed-stone production // Glass and Ceramics. 2020. № 11-12. Рp. 415-418.
15. Меньшикова В.К., Демина Л.Н. Керамические строительные материалы с использованием нетрадиционного вида сырья // Строительные материалы и изделия. 2020. Том 3. № 3. С. 40-46.
