Технология стеновых материалов. Методические указания

2 Лабораторная работа № 2

Влияние состава керамической массы на свойства кирпича

Для производства керамического кирпича используются легкоплавкие глины и суглинки с содержанием глинистых частиц не менее 12 %, а песчаных – от 10 % до

30 %.

В связи с истощением запасов высококондиционных глин в производство все чаще вовлекаются глины неоптимального гранулометрического (механический) со-

става и поэтому возникает необходимость корректировки (оптимизации) состава ке-

рамической массы. Основными критериями оптимизации являются сушильные свойства керамических масс и физико-механические характеристики черепка (проч-

ность, водопоглощение, морозостойкость). В качестве параметров оптимизации вы-

бирают механический состав керамической массы (содержание глинистых, песча-

ных и пылевидных частиц), содержание пластифицирующих добавок (органических,

минеральных), температуру формовочной массы.

2.1 Материалы и оборудование

Весы лабораторные.

Шкаф сушильный.

Печь электрическая на 1100 ºС.

Эксикатор.

Сито с сеткой № 1.

Ступка фарфоровая.

Бюксы.

Штангенциркуль.

Термометр на 150 ºС.

Щипцы тигельные.

Плита мраморная или металлическая.

Форма металлическая.

41

2.2 Подготовка керамической массы

Состав керамической массы проектируется в соответствии с результатами изучения свойств глины при выполнении лабораторной работы № 1 (разделы 1.4, 1.6, 1.7, 1.8).

При работе с пластичной глиной, характеризующейся большими значениями воздушной усадки и чувствительностью к сушке, необходимо в состав массы вводить отощающие добавки (песок, фракция от 0,14 до 1,25 мм; опилки, шамот, уголь, шлаки топливные и металлургические, размером не более 3 мм и т.п.) в количестве от 5 % до 30 % по массе, а опилки – от 10 % до 15 % по объему.

В случае использования малопластичных глин, особенно при разработке пластического способа формования изделий, возникает необходимость повышения пластичности керамической массы, что на практике достигается путем естественной обработки глины (вылеживание во влажном состоянии, промораживание увлажненной глины), обогащением сырья (удаление грубозернистой фракции), паропрогревом и интенсивной механической обработкой.

При ограниченных технических возможностях предприятия повышения пластичности глины можно добиться добавкой пластичных глин в количестве от 10 %

до 30 % (бентонитов до 3 %). Особенно эффективны добавки каолина, которые обеспечивая повышение пластичности глины, в то же время снижают чувствительность глин к сушке.

Вряде случаев при использовании малопластичных и лессовидных суглинков

иотсутствии высокопластичных глин связующую способность глинистого сырья можно повысить вводом гидрофильных ПАВ (СДБ, сульфитный щелок и т.п.) в количестве от 0,05 % до 3 % по сухому.

Для приготовления формовочной керамической массы используют сухую измельченную и просеянную через сито № 1 глину. Отощающие добавки путем дробления и рассева на соответствующих ситах доводят до необходимого гранулометрического состава. Смешивание отощающих добавок и глины производят в сухом состоянии, а затем увлажняют до получения керамической массы формовочной влаж-

42

ности.

Пластичную глину в состав керамической массы вводят в виде шликера либо тонкодисперсного порошка, а органические пластифицирующие добавки – в виде водного раствора.

Приготовление формовочной массы осуществляется вручную путем тщатель-

ного перемешивания и проминания. Затем масса заворачивается во влажную ткань и выдерживается в течение от 24 до 48 ч, после чего проминается и доводится до формовочной влажности. Контроль формовочной влажности может осуществляться на приборе Вика, а при наличии в керамической массе отощающих добавок – по от-

сутствию прилипания массы к рукам и металлу. Контроль водосодержания керами-

ческой массы в состоянии формовочной влажности осуществляется весовым мето-

дом (смотри п. 1.5.2 методических указаний).

При необходимости прогрева керамической массы ее помещают в плотно за-

крытом эксикаторе в сушильный шкаф и выдерживают при температуре от 20 ºС до

35 ºС в течение от 2 до 3 ч для достижения ею заданной температуры. Керамическая масса доводится до рабочего состояния либо добавкой сухой глины, либо доувлаж-

нением ее.

2.3 Определение воздушной, общей и огневой усадок

Определение воздушной усадки производят на образцах-плиточках размером

50x50x5 мм, приготовленных из керамической массы формовочной влажности, в со-

ответствии с методикой, изложенной в п. 1.8.2.

На этих же образцах, после определения воздушной усадки, производят опре-

деление общей и огневой усадок по методике, изложенной в п. 1.9.2. На обожжен-

ных образцах также осуществляют контроль величины водопоглощения (смотри п.

1.11.4), что позволяет установить оптимальную температуру обжига. Водопоглоще-

ние не должно быть ниже 6 %, оптимальное значение – от 12 % до 15 %.

Расчет значений усадки производят по формулам:

43

где l1 - расстояние между метками у свежеотформованных образцов до сушки,

мм;

2.4 Определение коэффициента чувствительности к сушке

Чувствительность глин к сушке является фактором, определяющим режим сушки керамических изделий. Высокая чувствительность глины (керамической мас-

сы) к сушке требует мягкого режима сушки керамических изделий, что нетехноло-

гично, т.к. для обеспечения качественной сушки изделий необходимо увеличение мощности сушильных установок. С целью повышения производительности сушиль-

ных установок стремятся к снижению коэффициента чувствительности керамиче-

ской массы. Этого добиваются, главным образом, путем ввода отощавших добавок,

что сопровождается повышением влагопроводности сырца. Также практикуется до-

бавка пластичной малоусадочной глины - каолина, повышающей растяжимость ке-

рамической массы.

Коэффициент чувствительности к сушке определяется по методике Носовой З.А. на образцах размером 60х15x30 мм либо по методике Чижского А.Ф. на образ-

цах размером 100x100x10 мм. В обоих случаях образцы формуют из массы нор-

мальной формовочной влажности. Методика проведения испытания изложена в п.

1.8.3, расчет коэффициента чувствительности - в п. 1.8.4.

В последнее время коэффициент чувствительности глин к сушке предпочита-

ют определять на приборе Чижского, изготовляемого во ВНИИстроме и позволяю-

щего провести определение в течение нескольких минут. Здесь чувствительность к сушке оценивается по времени, через которое на образце стандартных размеров, из-

готовленного из испытуемого сырья и подвергаемого облучению мощным тепловым

44

потоком, появятся первые трещины. Для высокочувствительных глин период облу-

чения составляет менее 100 с, среднечувствительных – от 101 до180 с, малочув-

ствительных - более 180 с.

2.5 Определение физико-механических свойств керамического черепка

Проведению этих исследований предшествует обжиг образцов, изготовленных из керамической массы формовочной влажности и подвергнутых предварительной сушке до влажности ниже критической (рекомендуется до (5±1) %). Размер образ-

цов определяется наличием формы и может составлять: 2х2х10 см, 6x1,5x3 см, диа-

метром и высотой равными 5 см. Лучше пользоваться образцами - призмами, т.к. на них может быть определен предел прочности как при сжатии, так и при изгибе.

Обжиг образцов проводится по режиму, указанному в разделе 1.11; макси-

мальная температура обжига устанавливается по величине водопоглощения образ-

цов, на которых определялась огневая усадка (смотри п. 1.11.2).

2.5.1 Определение средней плотности

Среднюю плотность определяют не менее, чем на трех образцах. Объем об-

разцов рассчитывают по их геометрическим размерам, определяемым с помощью штангенциркуля. Для определения каждого линейного размера образец измеряют в трех местах - по ребрам и середине грани. За размер принимается среднее арифме-

тическое трех измерений. Затем образцы очищают от пыли, высушивают до посто-

янной массы при температуре от 105 °С до 110 °С и после этого охлаждают и взве-

шивают.

Среднюю плотность ρср вычисляют по формуле

где m - масса образца, г;

V - объем образца, см3.

45

За значение средней плотности принимает среднее арифметическое результа-

тов определения плотности всех испытанных образцов.

2.5.2 Определение водопоглощения

Контроль величины водопоглощения образцов осуществляется на обож-

женных образках, взятых в количестве не менее трех. Образцы, высушенные до по-

стоянной массы, помещают в сосуд с водой таким образом, чтобы расстояние между ними было не менее 20 мм, а уровень воды был выше образцов на (60±40) мм. Об-

разцы выдерживают в воде не менее 48 ч. Затем извлекают из воды, обтирают влаж-

ной тряпкой и взвешивают. Расчет величины водопоглощения проводят по формуле

где m0 - масса исходного обожженного образца, г;

m1 - масса образца, насыщенного водой в течение 48 ч, г.

За значение водопоглощения принимают среднее арифметическое результатов определения водопоглощения всех образцов.

2.5.3 Определение пределов прочности при изгибе и сжатии

Предел прочности при изгибе рассчитывается по формуле

изг 2bh2

где Р - разрушающая нагрузка, кг;

l - пролет балки между опорами, см;

b - ширина поперечного сечения образца, см; h - высота поперечного сечения образца, см.

46

Испытание образца-призмы может быть проведено на гидравлическом прессе либо на приборе МИИ-100. В последнем случае на нижние опоры зажима помеща-

ется подставка с наваренными на неё цилиндрическими опорами. Расчет разру-

шающей нагрузки проводится по формуле (27), полученной путем преобразования формулы (26).

где Rизг - показания прибора МИИ-100, кг/см2;

b и h - ширина и высота стандартного образца для прибора МИИ-100, рав-

ные 4 см;

l - стандартное расстояние между опорами прибора МИИ-100, равное

10 см.

Затем проводится расчет Rизг по формуле (26).

Предел прочности при сжатии Rсж определяют на гидравлическом прессе. Для точного фиксирования площади образца, воспринимающего разрушающую нагруз-

ку, последний помещают между металлическими пластинами определенных разме-

ров. Расчет Rсж проводят по формуле

Rсж FP , кг / см 2 (28)

обр

где Р - разрушающая нагрузка, кг; Fобр - площадь образца, см2.

Испытанию на изгиб подвергается не менее трех образцов каждой серии, а на сжатие - шесть половинок, полученных при испытании на изгиб. За предел прочно-

сти при изгибе принимают среднее арифметическое результатов всех испытаний;

таким же образом определяют предел прочности при сжатии.

47

2.5.4 Определение морозостойкости

Морозостойкость - наиболее важная эксплуатационная характеристика кера-

мического кирпича. Определение морозостойкости керамического черепка прово-

дится на обожженных малых образцах в соответствии с ГОСТ 7025-91 [17]. Морозо-

стойкость оценивается по величине потери массы образцов и прочности при сжатии после определенного количества циклов испытания (25, 35 и т.д.).

При испытании на морозостойкость образцы насыщаются водой в течение 48

ч, а затем помещаются в морозильную камеру, обеспечивающую температуру в ин-

тервале от минус 15 °С до минус 20 °С, Продолжительность замораживания не ме-

нее 4 ч. Затем образцы извлекаются и погружаются в сосуд с водой температурой

(20±5) °С, поддерживаемой в этих пределах в течение всего периода оттаивания.

Расстояние между образцами в сосуде не менее 20 мм. Длительность оттаивания не менее 2 ч. Одно замораживание и последующее оттаивание составляет один цикл,

продолжительность которого не должна превышать 24 ч.

По окончании испытания или при временном его прекращении образцы после оттаивания хранят в ванне с гидравлическим затвором. При продолжении испыта-

ния образцы дополнительно насыщают водой.

При оценке морозостойкости по потере массы испытание проводят на пяти образцах, которые перед испытанием маркируют и взвешивают, а затем проводят требуемое число циклов замораживания-оттаивания. После этого образцы высуши-

вают до постоянной массы. Потерю в массе образцов Δm вычисляют по формуле

где m - мacca исходного сухого образца, г;

m1- масса образца, высушенного до постоянной массы, после требуемого числа циклов замораживания-оттаивания, г.

Потеря в массе после установленного количества циклов испытания не долж-

48

на превышать 5 %. Кроме того, фиксируют внешний вид образцов.

Оценка морозостойкости по прочностным показателям проводится как мини-

мум на десяти образцах: пять - опытные и пять - контрольные. Для каждой после-

дующей серии испытаний количество образцов увеличивается на пять.

После проведения требуемого числа циклов замораживания-оттаивания опор-

ные поверхности каждого образца, в том числе и контрольных выравнивают це-

ментным раствором состава 1:1 при В/Ц =0,4 и оставляют образцы для затвердева-

ния в нормальных условиях на 3 суток. Поверхности образцов, изготовленных спо-

собом полусухого прессования, допускается не выравнивать. Затем образцы насы-

щают водой и испытывают каждый по отдельности.

Потерю прочности R образцов при сжатии вычисляют с точностью до 1 % по формуле

гдe RK - среднее арифметическое пределов прочности при сжатии кон-

трольных образцов, МПа;

R - среднее арифметическое пределов прочности при сжатии образцов по-

сле требуемого числа циклов замораживания-оттаивания, МПа.

Потеря прочности после установленного количества циклов испытания не должна превышать 25 %.

2.6 Анализ полученных результатов

По завершении экспериментальной части работы в данном разделе обобщают и сводят в таблицу 10 все полученные результаты; проводят сравнение их со стан-

дартными показателями, приводимыми в ГОСТ 530-2007 [18].

Следует также сделать выводы по оптимизации технологии кирпича из иссле-

дуемого сырья.

49

Таблица 10

Продолжение таблицы 10

Продолжение таблицы 10

50