Взаимосвязь структуры и свойств наномодифицированного полнотелого керамического кирпича Христофоров а.И., Пикалов е.С.

ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Владимир

В статье рассмотрена возможность повышения прочности при сжатии и плотности пол­нотелого керамического кирпича на основе глины с содержанием оксида алюминия менее чем 8,7-13,5 % при помощи введения в состав шихты таких модифицирующих добавок, как стекольный бой и поверхностно-активное вещество. Приведена оценка структуры кирпича, полученного на основе разработанных составов шихты, а также обосновано влияние структуры материала на свойства керамики, подтвержденное экспериментальными данными и основанное на теоретических пред­ставлениях по рассматриваемому вопросу.

Строительная керамика относится к основным стеновым материалам, так как до 70 % общего объема городской за­стройки выполняется из кирпича и кера­мических камней. Производство их зани­мает почти 60 % всех промышленных фондов строительной керамики. За по­следние годы технология производства строительных материалов на основе кера­мики претерпела существенные изменения и продолжает развиваться быст­рыми тем­пами, растут объемы производства основ­ных строительных материалов. [1,2]

Научные исследования в области производства строительных материалов на­правлены на расширение сырьевой базы, по­вышение качества сырьевых материалов пу­тем их предварительной подготовки, приме­нение модифицирующих добавок и на изме­нения в технологических режимах производ­ства. Это позволяет получать вы­сококачест­венную строительную керамику с заданными физико-механическими и эксплуатацион­ными свойствами. [1]

Однако при производстве керамиче­ского кирпича на основе глин с низким со­держанием Al₂O₃ (менее 8,7-13,5%), из­вест­ные решения зачастую приводили к незначи­тельным результатам. [1,2]

Таким образом, разработка составов шихты на основе низкосортных глин с мо­дифици­рующими добавками для производ­ства полнотелого керамического кирпича с вы­сокими физико-механическими и эксплуа­тационными характеристиками, несо­мненно, является актуальной задачей.

Но­визна разработки обуславливается полу­чением новых знаний по формированию плотных заготовок с минимизацией мак­ро­дефектов в процессе их подготовки и под­бору модифицирующих добавок таким обра­зом, чтобы оказывать влияние на формиро­вание структуры строительной керамики на протяжении всего технологи­ческого цикла для повышения качества изделий.

Цель проведенной работы заключа­лась в повышении прочности при сжатии керами­ческого кирпича на основе низко­сортной глины месторождения Владимир­ской об­ласти, состав которой представлен в табл. 1, за счет применения модифици­рующих доба­вок таким образом, чтобы обеспечить значе­ния плотности, открытой пористости и водо­поглощения на уровне, удовлетворяющем требованиям ГОСТ 530-2007.

Таблица 1.

Химический состав глины суворотского месторождения

Оксид	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	K2O	Na2O
Содержание, %	64,0-71,0	8,7-13,5	4,9-6,8	0,7-4,9	0,7-2,7	1,9-2,9	0,2-1,2

Исследования физико-механических свойств проводились путем измерения плот­ности, прочности при сжатии, откры­той по­ристости и водопоглощения в соот­ветствии со стандартными методиками для стеновых материалов.

Необходимость введения в состав шихты модифицирующих добавок опреде­ляется свойствами глины. Поэтому исход­ным пунктом экспериментальных исследо­ваний являлось изучение свойств кирпича на основе исследуемой глины.

Эти пара­метры зависят не только от состава глины, но и находятся в прямой за­висимости от влажности керамической массы. При опре­делении формовочной влажности, значения других параметров технологического ре­жима получения об­разцов для исключе­ния их влияния на свойства были стаби­лизированы: удельное давление прессо­вания равнялось 15 МПа, сушка прово­дилась при температуре 60 ⁰С в течение 4 часов, а температура обжига со­ставляла 1000 ⁰С.

ρ, кг/м3 σсж, МПа По,W, % Формовочная влажность, мас. % Формовочная влажность, мас. % а) 2 1	2 1
а)	б)
Рис. 1. Зависимость свойств строительной керамики от формовочной влажности сырца: а) 1 - плотность (ρ, кг/м3), 2 - прочность при сжатии (σсж, МПа); б) 1 - открытая пористость (По, %), 2 - водопоглощение (W, %)

Как следует из экспериментальных данных, представленных на рис. 1, наибольшими прочностными характе-ристиками обладает керамический кирпич с формовочной влажностью в пределах от 7 до 9 мас. %.

30мкм

Рис. 2. Структура обожженного кера­миче­ского кирпича, полученного при формовочной влажности 8 мас.%

Полученные значения характе-ристик материала объясняются его структурой, исследованной при помощи снимков на растровом электронном микроскопе и данных количественного и качественного рентгенофазового анализа.

Керамический кирпич, полученный на основе исходного состава шихты (рис. 2), обладает неоднородной структурой, ха­ракте­ризующейся зональным обособле­нием при спекании. Плотные и прочные агломераты частиц слабо связаны между собой, что обу­славливает невысокую ме­ханическую проч­ность изделия в целом: происхо­дит "разрыхление". [3]

Таким образом, для модификации свойств кирпича на основе низкосортной глины исследуемого состава необходимо по­вы­сить однородность материала и обеспе­чить его гомогенность на протяжении всего технологического процесса.

Для уменьшения усадки изделий и повышения гомогенизации формовочной массы при смешивании в состав шихты был введен олеат натрия (C₁₇H₃₅COONa).

Из данных, представленных на рис. 3, следует, что олеат натрия в количестве от 0,3 до 0,5 мас.ч. повышает прочност­ные харак­теристики материала.

ρ, кг/м3 σсж, МПа По,W, % олеат натрия, мас. ч. олеат натрия, мас. ч. а) 2 1	2 1
а)	б)
Рис. 3. Зависимость свойств строительной керамики от содержания олеата натрия: а) 1 - плотность (ρ, кг/м3), 2 - прочность при сжатии (σсж, МПа); б) 1 - открытая пористость (По, %), 2 - водопоглощение (W, %)

Это про­исходит за счет снижения поверхностного натяжения влаги, что способствует образо­ванию пленок из воды и ПАВ вокруг час­тиц материала. Благодаря этому уменьша­ются силы трения между частицами, что повышает однород­ность формовочной массы при смешивании и увеличивает уп­лотнение материала при прессовании. На стадии сушки ПАВ способствует уда­лению поровой воды из ма­териала и уменьшает усадку изделий и их чувстви­тельность к сушке. [4]

Для достижения высокой степени уп­лотнения материала при прове­дении обжига в состав шихты был введен стекольный бой, состав которого приведен в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав боя тарного зеленого стекла

Оксид	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaO	MgO	Na2O	Mn3O4
Содержание, %	66,7–68,7	4,5–5,5	1,3–1,5	5,8 – 6,3	3,8 – 4,3	14,3 – 14,8	1,3 –1,8

Как следует из данных, представ­ленных на рис. 4, стеклобой также способ­ствует повы­шению прочностных характе­ристик полно­телого керамического кир­пича.

ρ, кг/м3 σсж, МПа По,W, % стеклобой, масс. ч. стеклобой, масс. ч. а) 2 1	2 1
а)	б)
Рис. 4. Зависимость свойств строительной керамики от содержания стеклобоя: а) 1 - плотность (ρ, кг/м3), 2 - прочность при сжатии (σсж, МПа); б) 1 - открытая пористость (По, %), 2 - водопоглощение (W, %)

При совместном введении олеата на­трия (0,5 мас.ч.) и стеклобоя (10 мас.ч.) были получены следующие значения свойств: плотность 1690 кг/м³; прочность при сжатии 24,2 МПа; открытая порис­тость 8,5 %; водо­поглощение 9,7 %.

Визуальное отображение структуры модифицированного кирпича, полученного на основе разработанных составов шихты, представлено на рис. 5.

Данные по исследованию структуры обожженного керамического кирпича, мо­дифицированного олеатом натрия, представ­ленные на рис. 5 а, показывают, что ПАВ способствует об­разованию незначительного количества аморфной фазы при проведении обжига. Аморфная фаза образуется при вы­горании органической составляющей ПАВ с выде­лением свободных катионов Na⁺.

То есть олеат натрия оказы­вает влияние на структурообра­зование материала на начальных стадиях технологи­ческого цикла. При высоком со­держании олеата натрия происходит обо­собление аморфной фазы в отдельные об­ласти различ­ного размера и потере её сплошности - уве­личивается пористость и снижается проч­ность. Это также приводит к трещинообра­зованию в объеме мате­риала, которое объяс­няется внутренним кристаллизационным давлением.

Влияние стеклобоя на структурооб­ра­зование исследуемого керамического мате­риала (рис. 5 б) происходит за счет того, что при обжиге образуется большое количество стекло­видной фазы, которая выступает в роли связующего между частицами мате­риала, а также заполняет крупные поры. Та­ким об­разом, стеклобой оказывает влияние на процессы структурообразования мате­риала в основном на стадии обжига.

а)	б)	в)
3 0мкм Рис. 5. Структура обожженного керамического кирпича, модифицированного рассматриваемыми добавками: а) олеат натрия; б) стеклобой; в) олеат натрия и стеклобой.

Следовательно, применение выбранных добавок способствует протеканию обжига по механизму жидкофазного спекания по схеме, предложенной К.К. Стреловым и И.Д. Кащеевым. [3]

Рис. 6. Трехмерный снимок рельефа поверх­ности обожженного керамического кирпича.

Распространению жидкой фазы по поверхности твердой фазы по механизму растекания существенно способствует высокая шероховатость частиц керамики, исследованная методом атомно-силовой микроскопии и представленная на рис. 6.

Следовательно, разработанный состав шихты позволяет осуществлять производ­ство полнотелого керамического кирпича на основе низкосортных глин по методу полу­сухого прессования с классом прочности не менее М 250. При этом численные значе­ния эксплуатационных свойств соответствуют тре­бованиям ГОСТ 530-2007, а материал об­ладает высо­кой степенью уплотнения и од­нородной структурой на протяжении всего технологического цикла. Это позволяет в пол­ной мере использовать имеющуюся во Вла­димирском регионе сырьевую базу для про­изводства кера­мического кирпича, увеличить срок службы зданий и сооружений.

Библиографический список.

1. Жуков А. Д. Современные строи­тельные материалы – М.: Стройинформ, 2007. – 720 с.

2. Гольцов И.Н., Филипов Е.В. Воз­можные пути решения жилищной проблемы в России // Жилищное строительство. 2009. № 2.

3. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоре­тические основы технологии огнеупорных материалов / Учебное пособие для вузов. 2-е издание, переработанное и дополненное М.: Металлургия, 1996. – 608 с.

4. Августинник А.И. Керамика - М.: Промстройиздат, 1957. - 484 с, ил