Строительная керамика на основе техногенного грубодисперсного сырья 05.23.05 - строительные материалы и изделия (стр. 3 )

Приведены результаты исследования влияния  количества наполнителей ФГС, ГО, УКС, ФКС на некоторые свойства обжиговых связок. Композиции состояли из смеси боя стекла и наполнителей. Связующим служили раствор жидкого натриевого стекла плотностью 1,12г/см3 в количестве 5% от массы сухого вещества и смесь суглинка с бентонитовой глиной в количестве 30%. Истощение природного дефицитного сырья как глины, суглинка являющихся основным сырьем при производстве строительной керамики требует вовлечения в производство нетрадиционных сырьевых материалов. Поэтому исследованы щелочные алюмосиликатные связующие дегидратационного твердения.  В качестве наполнителя был выбран тонкомолотый гранитный отсев, а щелочные компоненты представлены едким натром, карбонатом натрия (технической содой), содосульфатной смесью. Расход щелочного компонента составлял до 5% по Na2О. На рисунке 1 приведены изменения водопоглощения, прочности, усадки из композиции гранитных отсевов с щелочными связками при температуре 1000єС.

Большую роль в формировании структуры таких материалов играют физико-механические свойства связки, а именно адгезионная прочность контактной зоны. Физико-механические свойства связки зависят как от свойств стекловидной матрицы, наполнителей, так и от их количественного соотношения и что не менее важно – от характера взаимодействия между ними.

Для исследования были выбраны следующие соотношения компонентов, мас % смесь суглинка и бентонитовой глины (пластификатор) – в соотношении 9:1 – 75-90; стеклобой – 5-20; наполнитель – ФГС, ГО, ФКС – 5-20. Ориентировочный состав стекловидной связки, масс. %. SiO2 – 65-68; Al2O3 – 9-11; Na2O – 2-4, K2O – 1-2; Fe2O3 – 2-3; CaO – 5-6; MgO – 1-2.

Рисунок 1 – Изменение водопоглощения (1), прочности (2), усадки (3) из композиции гранитных отсевов с щелочными связками при температуре 1000єС

В процессе спекания композиционного материала исходное стекло матрицы при определенной температуре  порядка > 850°С переходит в пиропластическое состояние. В этом состоянии стекло смачивает поверхность частиц тугоплавкого наполнителя. За счет такого взаимодействия между стеклом и наполнителем формируется зона контакта матрицы с наполнителем и при последующей кристаллизации матрицы, эта структура видоизменяется. Однако свойства контактной зоны и после кристаллизации отличается от свойств матрицы. Можно предположить, что между адгезионной прочностью контактной зоны и составом стекла и наполнителя существует определенная взаимосвязь, так как адгезия расплава стекла и поверхности твердой подложки тем выше, чем лучше смачивание этой поверхности расплавом. В свою очередь смачивание расплавами стекол твердых поверхностей зависит от их химического состава, температуры расплава и состояние смачиваемой поверхности. Между адгезией расплава и адгезионной прочностью контакта после затвердевания стекла существует корреляционная зависимость.

Адгезионной прочностью считали напряжение, при которой появляется первая трещина на траншее раздела связка-наполнитель. Момент начала трещинообразования фиксировали на диаграммной ленте в виде характерного острого пика. При хрупком разрушении момент трещинообразования контролировали с использованием акустического эффекта. На основе результатов определения адгезионной прочности образцов получены уравнения регрессии в виде линейных многочленов.

Уравнения характеризуют влияние состава связки на адгезионную прочность композиции с ФГС, ГО, ФКС. По этим уравнениям на тройных диаграммах построены поверхности отклика адгезионной прочности (рисунок 2).

а – композиции с фосфатно-глинистыми сланцами; б – с гранитными отсевами;  в – с фосфатно-кремнистыми сланцами.

Рисунок 2 – Поверхности отклика адгезионной прочности

В четвертом разделе приводится разработка технологии получения  керамических строительных материалов на основе техногенного алюмосиликатного сырья: ГО, ФГС, ОГС, ЦП. Выбор гранитных отсевов обусловлен тем, что улучшение показателей керамических материалов прочности при сжатии и изгибе, термическую устойчивость, водонепроницаемость возможно за счет более полного спекания.

Были проведены исследования с целью подбора составов керамического кирпича на основе гранитных отсевов с использованием метода математического планирования эксперимента. На основе анализа исследуемой системы выбраны следующие диапазоны изменения факторов (таблица 1). В качестве целевой выходной переменной У выбраны показатели прочности при сжатии (МПа), сырцовой прочности (МПа), средней плотности (кг/м3) и морозостойкость F (циклов).

В качестве факторов использованы следующие входные параметры: Х1 – отношение тонкомолотой части к грубодисперсной; Х2– отношение суммы связующего к сумме тонкомолотой и грубодисперсной части; Х3 – температура термообработки, °С. Регрессионные зависимости устанавливают причинно – следственные связи между переменными, корреляционные связи между равноправными переменными. Корреляционный анализ особенно удобен там, где имеются недоступные или труднодоступные для непосредственных замеров параметры объекта исследования, а также возникает необходимость сокращения числа экспериментов.

Таблица 1 – Диапазон изменения факторов

Факторы	Х1	Х2	Х3
Нижний уровень (-1)	0,20	0,20	950
Верхний уровень (+1)	0,3	0,3	1050
Нулевой уровень (0)	0,25	0,25	1000
Интервал ворьированя	0,05	0,05	50
Плечо + б	0,3341	0,3341	1084
Плечо – б	0,1659	0,1659	916

Рисунок 3 – Трехмерный график функции Y при фиксированном значении X1 со значением в середине плана (X1 = 60)

Модель прочности показывает (рисунок 3), что максимум Rmax = 23,4 МПа наблюдается у составов с х1=0,25; х2=0,25; х3=1084; минимум у состава Rmin = 8,4 МПа, с Х1 = 0,25, Х2 = 0,25, Х3 = 916; приросты: абсолютный 15 МПа и относительный  R = 2,79. Так же были исследованы свойства керамических стеновых материалов с использованием каолинитовой Ленгерской глины, суглинка и гранитного отсева. Образцы готовили полусухим формованием из масс содержащих гранитные отсевы фракции < 2,5 мм – 55-60%; фракции < 0,14 мм – 5%; суглинок – 25-35%; каолинитовая глина – 10-15%. В состав исследуемых масс вводили разное количество гранитных отсевов, благодаря чему соотношение RO: R2O изменялось от 1,5 до 1, так же изменялось соотношение и других оксидов, влияющих на образование жидкой фазы, на  плотность и прочность образцов (таблица 2).

Таблица 2 – Соотношение RO: R2O

Оксид	Соотношение RO: R2O
1,5	1,4	1,3	1,2	1,1
SiO2:Al2O3	3,5	3,6	3,7	3,8	3,9
SiO2 : R2O	16	19	22	25	28
RO:(R2O+RO+Fe2O3)	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2

При уменьшении соотношения RO:R2O исследуемая масса после обжига обладает минимальным водопоглощением, высокой механической прочностью и плотностью. Повышение соотношения SiO2:R2O (до 28) приводит к увеличению количества стеклофазы и частичному растворению SiO2, что подтверждается минимальным водопоглощением.

Положительное влияние на свойства керамического материала оказывает железосодержащий расплав, который можно охарактеризовать соотношением RO: (R2O+RO+Fe2O3) равный в данном случае 0,2-0,3. Зависимость основных свойств образцов от соотношения RO:R2O приведены на рисунке 4.

1 – водопоглощение; 2 – пористость; 3 – водостойкость; 4 – прочность при сжатии

Рисунок 4 – Зависимость свойств образцов от соотношения RO:R2O

При температуре 1000-1050єС образуется реакционноспособная жидкая фаза, интенсифицирующая растворение кремнезема и глинозема, что способствует повышению термостойкости образцов. Образец оптимального состава имеет следующие свойства: водопоглощение – 7-8%, пористость 12-13%, предел прочности при сжатии 20-22 МПа, термостойкость – 14-15 теплосмен за 8-10с.

При разработке сосотавов керамических материалов на щелочном алюмосиликатном связующем и гранитных отсевах, в качестве наполнителя был выбран тонкомолотый гранитный отсев, а щелочные компоненты представлены едким натром, карбонатом натрия (технической содой), содо-сульфатной смесью. Расход щелочного компонента составлял до 5% по Na2О. Заполнителем является гранитные отсевы фракции 1-3 мм – 50%; 0,14 – 1 мм – 40%; менее 0,14 – 10%. Количество молотого и немолотого гранитного отсева, а так же количество связки варьировалось исходя из свойств формовочной смеси и трещиностойкости образцов (таблица 3).

Для интенсификации процесса обжига и обеспечения необходимых физико-механических свойств плит в процессе скоростного обжига в роликовой щелевой печи в состав плиточных масс был введен стеклобой в количестве 5-10% и добавки в виде 5% фосфогипса или шлака. Выявлено, что газопроницаемость при 120єС составляет 0,68·10-5, а после 800єС – 0,82·105 м2/Па·с. Эти показатели почти в 2 раза превышают газопроницаемость обычных керамических масс на основе глинистых материалов. В этом случае через проницаемые поры будет диффундировать кислород во внутрь изделия, способствуя окислению органических веществ, и значительному прогреву изделия.