Строительная керамика на основе техногенного грубодисперсного сырья 05.23.05 - строительные материалы и изделия (стр. 2 )

Реализация результатов исследований. Внедрены в производство составы высокопрочного (марки 150 - 200) и морозостойкого (марок 35, 50) кирпича, керамической плитки для облицовки стен и полов на кирпичном заводе ТОО «Стройсервис – Эльф». Результаты работы использованы при внедрении в производство состава кирпича полусухого прессования марки 150 по прочности и 35 по морозостойкости из композиций глин с грубозернистым шлаком в ТОО «АХЕМ INVESTMENT».

В цехе производства кирпича ТОО «Стройсервис Эльф» и в керамическом цехе ТОО «КАЗФОСФАТ»  проведены опытно-промышленные испытания облицовочного камня марки 250 по прочности и 35 по морозостойкости, клинкерного кирпича марки по прочности более 1000, по морозостойкости более 50 и разработан технологический регламент. На кирпичном заводе проведены опытно-промышленные испытания ленточной черепицы с прочностью при изгибе 17,5 МПа и маркой  35 по морозостойкости.

Автор защищает:

- закономерности и критерии формирования прочных структур керамики с разнородными и грубозернистыми компонентами;

- научные представления о моделировании структур строительной керамики из грубозернистых композиций с учетом фазовых превращений составляющих этих структур как основе системного подхода к получению строительной керамики с требуемыми свойствами;

- количественные зависимости содержания материала оболочки от соот-ношения размеров агрегатов ядра и оболочки и состава их материалов;

- предложенную взаимосвязь прочности керамики с относительной разностью значений модулей упругости, коэффициентов термического расширения и модулей основности материалов ядра и оболочки;

- разработанные составы, технологию изготовления и результаты внедрения и опытно-промышленных испытаний высокопрочного и морозостойкого кирпича, облицовочного камня, клинкерного кирпича, черепицы и облицовочных керамических материалов из композиций разнородных и грубозернистых компонентов с суглинками, глинами или связками на их основе.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях: «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан - 2030» (Тараз, 1999); «История и современность», посвященная 55-летию Победы в ВОВ (Шымкент, 2002); «Научно-образовательный потенциал нации и конкурентоспособность страны» (Тараз, 2008); «Химия строительных материалов» (Шымкент, 2008); «Европейская наука ХХ века» (Чехия, 2010); «Актуальные проблемы современных наук» (Польша, 2010); «Актуальные достижения европейской науки» (Болгария, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 работ, в том числе получено 2 предпатента на изобретение и одно авторское свидетельство о государственной регстрации объекта интеллектуальной собственности.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 разделов, заключения, приложений, списка литературы, включающего 198 источников. Работа изложена на 232 страницах машинописного текста, содержит 81 таблицу и  79 рисунков.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Введение содержит обоснование актуальности темы исследования, определение цели и задачи работы. Приводится научная новизна работы и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные научные положения выносимые на защиту.

В первом разделе выполнен анализ научно-производственного опыта в керамической отрасли. В создание и развитие теории и практики керамических материалов значительный вклад внесли известные ученые  , , , и др. Анализ литературных данных позволяет выделить следующие проблемы в области производства керамических строительных материалов. Для многих регионов Казахстана, особенно для регионов Юга Казахстана, характерен ограниченный ассортимент выпускаемых видов строительной керамики, что существенно повышает стоимость строительства и не способствуют его развитию. Отсутствует или недостаточно развито производство наиболее востребованных видов керамических изделий, таких как лицевой кирпич, высокомарочный и морозостойкий кирпич, стеновые камни, клинкерный кирпич, черепица. Существует серьезная проблема более полного использования некондиционного и нетрадиционного сырья для производства строительной керамики из-за сложившегося дефицита высококачественного керамического сырья. Из анализа литературных источников видно, что для изготовления строительной керамики можно использовать многие виды некондиционного и нетрадиционного сырья. Важно подобрать компонентные составы, чтобы обеспечить спекание керамики и сформировать при обжиге фазы (муллит, анортит, волластонит, кварц), улучшающие ее свойства. Возможно введение с сырьем уже сформированных кристаллических фаз в виде волластонита. Среди видов непластичного сырья, позволяющих получение строительной керамики с требуемыми свойствами в смесях с некондиционным глинистым сырьем, можно выделить отсевы глинистых сланцев, гранитные отсевы, фосфатно-глинистые, фосфатно-кремнистые сланцы, а также породы, содержащие полевые шпаты. Хотя перечисленные виды сырья распространены по территории Южного Казахстана, в производстве строительной керамики применяются лишь отдельные из них, притом в ограниченных объемах.

Еще одна проблема заключается в том, что не используются или используются весьма ограниченно многие виды отходов промышленности, так не достаточно широко применяются высококальциевые доменные шлаки Таразского металлургического завода, фосфогипс завода минеральных удобрений. Кроме того, технология строительной керамики базируется либо на использовании свойств глинистого сырья, либо на энергозатратных многокомпонентных системах тонкого помола до дисперсности менее 60 мкм. Проблема же получения строительной керамики из разнородных и грубозернистых компонентов не решена. Есть отдельные положительные результаты, но нет единого системного подхода к решению данного вопроса.

Приведенные проблемы показывают, что вопросы научного подхода к спеканию и формированию свойств строительной керамики из грубозернистых композиций, более полного использования нетрадиционного, некондиционного и техногенного сырья при меньших экономических затратах, при сохранении или улучшении свойств строительной керамики являются актуальными.

В основу работы положена рабочая гипотеза, заключающаяся в том, что в керамике из грубозернистых масс зерна создают ее скелет, а тонкодисперсные частицы служат связкой между зернами, образуя оболочку вокруг них. Моделирование структуры строительной керамики по типу «ядро – оболочка» дает представление об упаковке материала и ее изменении в процессе спекания без нарушения сплошности материала.

Во втором разделе приводятся  характеристики сырьевых материалов, методы исследования структуры, физико-механических свойств и методика получения керамических материалов.

В третьем разделе представлены результаты исследования составов обжиговых связок и моделирования структуры строительной керамики.

Моделирование структур по типу "ядро-оболочка" проведено при соотношении размеров агрегатов ядра и оболочки 5,10, 20, 30, 40, 60, когда количество вещества оболочки изменялось от 20% до 60%. Исследовали  варианты моделей структур строительной керамики: с ядром из алюмосиликатного сырья  (ГО, ЦП, ОГС, ФГС); с ядром из агрегатов кварцевого сырья (УКС, ФКС); с ядром из зерен шлака и модели смешанных структур. При измельчении непластичных пород до размера зерен 3 мм, обычно являющегося предельной величиной в технологии строительной керамики, образуется около 5-10% мелкой (менее 0,1 мм) фракции и около 90-95% крупной (0,1 мм и более). Поэтому за основной размер ядер из этих силикатов в моделях структур приняли 3,0; 2,0 и 1,0мм. Размер глинистых агрегатов оболочки изменяли в пределах от 0,05 до 0,25 мм. Соотношение размеров ядра и оболочки находилось в границах от 5 до 60. Предполагается, что менее благоприятные условия по формированию прочных структур с ядром из непластичных кварцсодержащих силикатных пород (непластичных силикатов) и оболочкой из глинистых агрегатов создаются при соотношении их размеров равном 20, а более благоприятные – в границах соотношений от 5 до 10. При соотношении размеров равном 20, толщина оболочки глинистого вещества (25%) недостаточна для заполнения пустот между ядрами. В границах же соотношений от 5 до 10 глинистого вещества оболочки (30-60%) достаточно для сцепления ядер и заполнения пустот между ними. Глинистая оболочка (матрица), когда её много, спекается сама по себе и активно взаимодействует с поверхностью вещества ядра, обеспечивая формирование прочных структур, что вытекает из анализа кривых плавкости смесей непластичных компонентов с суглинками и глинами. Смеси непластичных компонентов с суглинками и глинами в количествах 30-50% образуют меньшее количество разового расплава и имеют более благоприятную динамику его нарастания с ростом температуры по сравнению с глинами, что предопределяет спекание композиций, в отличие от глин, в широком температурном интервале без признаков пережога.

Границы соотношений размеров агрегатов ядра и оболочки от 10 до 20 (содержание глинистого вещества оболочки составляет 30-35%) для формирования плотных и прочных структур являются критическими. Хотя количество разового расплава и динамика его нарастания при таком содержании глин в смесях с непластичными компонентами являются благоприятными для развития спекания. Содержание глинистого вещества оболочки  40-50% достаточно для заполнения пустот между ядрами. Таким образом, прочные структуры с ядром из агрегатов частиц кварцсодержащих силикатных пород и оболочкой из глинистых агрегатов могут обеспечиваться при соотношении их размеров от 5 до 10. Размер ядер из кварцсодержащих силикатных пород может изменяться в пределах 0,1-3,0 мм, размер глинистых агрегатов оболочки – от 0,05 до 0,25 мм. Содержание глинистых агрегатов оболочки может находиться в пределах от 30 до 50%.

Для алюмосиликатного материала, кварцевого сырья и шлака принимали средние значения прочности, полученные из экспериментальных значений прочности обожженных из пресс-порошков образцов и значений прочности самих зерен. Это связано с тем, что в структурах керамики из композиций с перечисленными компонентами ядрами могут быть конгломераты из спеченных тонких частиц и отдельные зерна. Например, ядрами могут быть крупные частицы (1-3 мм) сланцев или зерна кварца, полевого шпата, шлака, прочность которых значительно выше прочности прессовок из дезагрегированных частиц. При определении предполагаемой прочности отсева глинистых сланцев и шлаковой смеси принимали, что примерно 50% сохраняется в виде обломков (крупных частиц) или зерен. При расчете прочности алюмосиликатного материала принимали, что содержание зерен кварца составляет 30%, а полевого шпата – 70%. В итоге получили значения прочностей отдельных составляющих керамики, которые были приняты при расчете прочности материалов. Анализ предполагаемых значений прочности керамических материалов показывает, что из композиций оптимальных составов можно получить разные по назначению строительные материалы: стеновые (прочность при сжатии 10,9-43,4 МПа), черепицу (прочность при сжатии 48,1-127,5 МПа), клинкерный кирпич и облицовочные изделия (прочность при сжатии 134,7-231,3 МПа).