КЕРАМИЧЕСКАЯ МАССА
CERAMIC MASS

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано при изготовлении лицевого и обыкновенного кирпича, от светложгущего до кремового цвета, из легкоплавкого красножгущегося глинистого сырья.
5
Известен состав керамической массы, приведенный в патенте РФ №2024463, МПК С04В 33/00, 33/02, опубликовано 15.12.94 г., и включающий компоненты при следующем соотношении, мас.%:
- легкоплавкая глина - 44-60;
- тонкомолотый известняк - 10-20;
- шамот из обожженной глины - 12-20;
2
- мел с удельной поверхностью 7000-8000 см/г - 5-10;
2
- натриевое стекло с удельной поверхностью 7000-8000 см/г - 5-10.
Наряду с большими достоинствами известного состава (повышается архитектурный вид, за счет исключения высолов, достигаются свойства, отвечающие требованиям ГОСТ 7784-78) имеются и недостатки:
2
1) механо- и теплоэнергоемкий процесс подготовки всех добавок вследствие обжига легкоплавкой глины на шамот и весьма тонкого измельчения до 8000 см/г удельной поверхности большинства добавок;
2
2) низкая трещиностойкость при сушке кирпича-сырца несмотря на присутствие отощающей добавки - шамота, который также до 30% тонко измельчается до удельной поверхности 6000 см/г.
Высокая удельная поверхность отощающих добавок и натрийсодержащего стекла приводит к снижению водопроводящей способности кирпича-сырца при сушке и, соответственно, к низкой трещиностойкости.
7
Известна и вторая керамическая масса повышенной архитектурной выразительности, прочности, приведенная в патенте РФ №2300507, МПКС04В 33/132, опубликовано 10.06.2007 г., Бюл. №16. В состав известной массы, включающей компоненты при следующем соотношении объемных %:
суглинок
64-68
выгорающая добавка (скоп)
6-9
железосодержащий отход - мелкодисперсный
осадок из циклонов от очистки поверхности
стальных деталей и конструкций дробеструйным
аппаратом
7-13
керамзитовая вспучивающаяся глина
15-20
Введенный в состав массы скоп, содержащий 50% целлюлозы и 50% каолина, выполняет роль выгорающей добавки и одновременно отбеливателя, так как каолин имеет белый цвет.
2
3
Наряду с большими достоинствами: повышается прочность, снижается общая усадка, исключаются высолы, утилизируются некондиционное глинистое сырье, например керамзитовая глина с высоким содержанием FеО, имеются и некоторые недостатки:
1) затрудняется процесс формования эффективного (пустотного) кирпича-сырца пластическим способом формования, так как волокна скопа прилипают к поверхности кернов пресса;
2) каолин, содержащийся в составе скопа, обладает более низкой степенью отбеливания в сравнении с традиционным отбеливанием тонкомолотыми карбонатсодержащими компонентами известняком или мелом.
7
Наиболее близкий состав, как по качественному, так и техническому решению, приведен в Авторском свидетельстве СССР №1606495, МПКС04В 33/00, опубликовано 15.11.90 г., Бюл. №42, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%:
- легкоплавкая глина - 29,5 - 94,0;
- известняк фр. < 0,06 мм - 2,5-35;
- кварцевый песок - 2,5-35;
- хлорид натрия - 0,5-1.
Известным составом достигнуто повышение прочности до 15,2-28,1 МПа и снижение температуры обжига до 850-950°С в течение 24 часов. Цвет керамики (кирпича, черепицы светло-желтый, кремовый).
Наряду с достоинствами имеются и недостатки:
3
3
1) в предлагаемом составе известняк выполняет роль отбеливателя, но не роль плавня и поризатора, так как роль плавня выполняет известь (СаО), которая образуется в результате разложения известняка (СаСО) при температуре выше 950°С, причем силикат кальция СаSiO, входящий в состав керамического черепка, образуется при более высокой температуре (выше 950°С), преимущественно 1000-1050°С. Последнее сообщается во многих источниках технической литературы по технологии керамики (Мороз. Технология строительной керамики. - Киев: Вища шк. 1980 - 384 с.). Таким образом, не использован весь полезный потенциал известняка в формировании структуры керамического черепка вследствие низкой температуры обжига. Повышение прочности достигнуто плавнем - хлоридом натрия;
2
2) хлорид натрия отрицательно влияет на долговечность эксплуатации футеровки обжигательных печей и санитарные условия в цехе обжига, так как при разложении NaCl, в процессе обжига, выделяется газ Сl;
3) низкая трещиностойкость при сушке, так как отощитель - кварцевый песок тонко измельчается;
2
3
4) в известном составе керамики не использовано направление расширения ресурсов природного глинистого сырья за счет утилизации некондиционного, применительно для керамического кирпича, черепка, например керамзитовой глины с повышенным содержанием FеО и других некондиционных видов глиносодержащих пород.
Задачей изобретения является расширение ресурсов глинистого легкоплавкого сырья за счет утилизации некондиционного и повышение трещиностойкости при сушке, без снижения прочности и изменения цвета изделий (светло-желтого, кремового) применительно к температуре обжига 1000°С.
2
Для реализации задачи в состав керамической массы, включающей легкоплавкое глинистое сырье, известняк или мел, отличающийся тем, что в качестве легкоплавкого глинистого сырья взята керамзитовая глина и суглинок с прочностью при сжатии после обжига при температуре 1000°С менее 7,5 МПа, дополнительно введены немолотый гранулированный доменный шлак с фракцией 0-5 мм и бой листового стекла с одинаковой удельной поверхностью отбеливателя 280-300 м/кг при следующем соотношении компонентов, мас.%:
керамзитовая глина
22-24
суглинок
43,5-47
мел или известняк с удельной поверхностью
280-300 м<sup>2</sup>/кг
20-23
гранулированный доменный шлак фр. 0-5 мм
8-11
бой листового стекла с удельной поверхностью
280-300 м<sup>2</sup>/кг
0,5-1,0
Были проведены испытания, где использовали компоненты с нижеследующими характеристическими свойствами.
1. Легкоплавкое некондиционное для кирпича глинистое сырье.
1.1. Керамзитовая глина. Принята глина Пореченского месторождения Тульской области с повышенным содержанием оксида железа.
2
2
3
2
2
3
2
2
2
2
общ.
Химический состав глины содержит в (%) по массе: SiO 48,2-48,6; АlО 23-23,45; TiO 0,64-0,76; FeO 0,98-1,01; FеО 7,73-9,51; CaO 1,06-1,08; MgO 1,95-2,15; NaO 0,38-0,84; KO 3-3,22; РO 0,09-0,11; S 0,04-0,05; МnО 0-0,04; п.п.п. 10,49-11,65.
вс.
Глина гидрослюдистая с примесями каолинита, высокодисперсная, коэффициент вспучивания при t=980-1000°С - К = 1,5 при 1200°С 6-7, высокопластичная, легкоплавкая.
1.2. Суглинок. Относится к кислому малопластичному глинистому сырью (число пластичности 3-4), цвет после обжига красный. После обжига при t=1000°С имеет предел прочности при сжатии не менее 7,5 МПа (6-7,35 МПа). Залегают после вскрышного слоя (супесей) и кислыми кондиционными суглинками. Из суглинок с прочностью менее 7,5 МПа практически невозможно изготовить кирпич марки не менее М75, что противоречит ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические». Поэтому такой суглинок относится к некондиционному.
3
2
2. Мел или известняк. Мел и известняк содержат в своем составе 98-99% СаСО, остальное примеси: кремнезем, глина и органика. В опытах принят мел Белгородского месторождения и известняковые высевки Барсуковского месторождения Тульской области. В опытах мел и известняк измельчали совместно с боем листового оконного стекла, зеркального, витринного до удельной поверхности 280-300 м/кг.
3. Гранулированный мелкозернистый основной доменный шлак с фракцией от пылевидной до 5 мм. Модуль основности 1,05-1,08. В опытах принят шлак «ОАО НПО Тулачермет» от выплавки обычного чугуна.
2
2
2
4. Бой листового стекла. Принят легкоплавкий бой оконного, зеркального, витринного стекол с температурой начала расплавления 950-1000°С, то есть бой щелочесодержащий (NaO или КО). Не рекомендуется бой бутылочного, электролампового стекол, то есть более тугоплавкий. В опытах принят молотый бой листового стекла с удельной поверхностью 280-300 м/кг.
В таблице 1 приведены составы опытных масс.
Примечание: * - составы №1 и №6 - запредельные;
** - вторая цифра (2; 3; 4; 5) - соответствует номеру опытных образцов с равным количественным содержанием компонентов: глинистого сырья, отбеливателя и плавня.
Как видно из таблицы 1, в экспериментальных опытах приняты составы керамических масс прототипа, находящиеся в количественных пределах этого прототипа и заявленного состава по количественному содержанию: глинистого сырья, отбеливателя, отощителя и плавня, но при различном количественном составе почти всех компонентов, в том числе и гранулометрическом составе отощителей и отбеливателя.
Реализация задачи
2
Опыт №1. (Для состава №2, в табл.1). Дозировали по массе 690 г (23%) мела и 15 г (0,5%) оконного стекла. Смесь тонко измельчали в электроступке до удельной поверхности 300 м/кг.
Подготовленные порошки керамзитовой глины и суглинок с фракцией менее 2 мм соответственно дозировали по массе в количестве 660 г (22%) и 1 кг 305 г (43,5%).
Дозировали в количестве 330 г (11%) гранулированный доменный шлак. Все порошки материалов смешали до однородного состояния. Однородную смесь увлажняли до формовочной влажности 22%. Из полученной пластичной массы формовали образцы размером 5×5×5 см. Часть образцов сушили: 6 штук естественным способом, остальные образцы (6 штук) в туннельных сушилках местного кирпичного завода при максимальной температуре t=70-75°C в течение 48 часов. Образцы после естественной сушки обжигали в муфельной печи при температуре 1000°С с выдержкой 2 часа. По аналогичной методике были изготовлены и другие опытные партии образцов, в том числе и образцы прототипа, но с соответствующим глинистым сырьем (легкоплавкой глиной) и с более грубодисперсным известняком и кварцевым молотым песком фракцией менее 0,06 мм.
На опытных образцах, высушенных в туннельных сушилках, определяли относительную величину трещиностойкости каждой опытной партии по формуле (1):
,
р.ст
где Т - относительная трещиностойкость, %;
1
S - общая поверхность шести опытных образцов размером 5х5х5 см, то есть
2
2
S - общая поверхность всех плоскостей - граней, имеющих трещины (усадку не учитывали), после сушки, см;
2
гpaни
2
Образцы, изготовленные из состава №2 (табл. №1), после сушки имели общую поверхность с трещинами, равную: S=(5×5)×3=75 см.
Следовательно, для этих образцов трещиностойкость составила:
Аналогичным методом определили трещиностойкость и для всех образцов из остальных составов масс, в том числе и для образцов прототипа. Все партии образцов, которые сушили естественным способом, не имели трещин и после обжига испытывали на прочность при сжатии. Величины прочности, цвета и трещиностойкость приведены в таблице 2.
Анализ результатов испытаний свойств образцов стеновой керамики, изготовленных из составов заявляемой массы и прототипа.
1. Как видно из таблицы 1, принятое глинистое природное сырье (керамзитовая вспучивающая глина и суглинок) по величине прочности, а керамзитовая и по степени трещиностойкости, являются недефицитным сырьем в индивидуальном виде для производства стеновой керамики.
2. Прочность при сжатии образцов керамики из масс заявленного состава, по отношению к образцам прототипа, не уменьшилась, а также не снизился архитектурный вид, цвет.
3. Трещиностойкость стеновой керамики при искусственной сушке увеличилась на 11,2-13,9%, что положительно отражается на снижении себестоимости готовой продукции.
2
3
2
3
Физико-химическая сущность достижения задачи состоит в следующем. А) В комплексном глинистом сырье роль основной связки выполняет не суглинок, а керамзитовая глина. Запесоченный суглинок в составе керамзитовой глины выполняет роль отощителя, который уменьшает не только пластичность такой глины и соответствующую усадку, но и снижает степень вспучивания при обжиге, так как в комплексном сырье и, соответственно, в составе керамзитовой глины увеличивается количество свободного кварца. При таком количестве свободного кварца керамзитовая глина не вспучивается (см. Роговой М.И. Технология искусственных заполнителей и керамики: Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1974, с.315). Таким образом, суглинок препятствует керамзитовой глине вспучиваться, а керамзитовая полукислая глина обогащает суглинок содержанием АlО, FеО, что в конечном счете положительно отражается на прочности стеновой керамики, изготовленной из комплексного сырья.
Б) Повышение трещиностойкости по отношению к керамике прототипа объясняется следующими факторами:
- увеличение водопроводящей способности сырца при сушке за счет применения мелкозернистого граншлака вместо тонкомолотого кварцевого песка прототипа;
- пылевидная фракция граншлака, активизированная щелочесодержащим тонкомолотым стеклом, является стеклошлаковым вяжущим, и в процессе сушки (1-е сутки) при повышенной относительной влажности эта смесь вяжущего начинает гидратироваться, то есть химически присоединять часть формовочной влажности из массы кирпича-сырца, снижая усадочные напряжения, причем в первый, более опасный период сушки. Гидратированная вода удаляется при обжиге при температуре выше 400°С, поэтому рекомендуется из граншлака пылевидную фракцию не отделять.
Технико-экономическая целесообразность заявляемого изобретения.
1. Утилизируются гранулированные доменные шлаки, причем немолотые, а в прототипе отощитель измельчается.
2. Утилизируется бой листового стекла, который десятками тонн накапливается при сортировке городского мусора и на складах, где хранится стекло. В прототипе используется дорогостоящая соль NaCl (800-1000 руб. за 1 тонну).
3. Утилизируется некондиционное глинистое сырье, которое тысячами тонн остается в карьерах или накапливается в отвалах.
4. Увеличивается выход готовой продукции на 10-13% за счет повышения трещиностойкости при сушке.
Указанные факторы пп.1-4 позволяют уменьшить себестоимость готовых изделий на 15-20%.
Таблица 1
Состав массы стеновой керамики
Компоненты массы (сухие)
Номера опытных масс и составов, мас.%
опытные
прототип
1
2
3
4
5
6*
7-2**
7-3**
7-4**
7-5**
1. Легкоплавкое красножгущееся глинистое сырье
1.1. Керамзитовая полукислая глина
21,6
22,0
22,7
23,4
24,0
21
-
-
-
-
1.2. Суглинок низкопрочный
42,0
43,5
44,75
46,0
47
51
-
-
-
-
1.3. Легкоплавкая глина
-
-
-
-
-
-
65,5
67,45
69,4
71
2. Отбеливатель
2.1. Молотый известняк с фр. < 0,06 мм
-
-
-
-
-
-
23
22
21
20
2.2. Молотый мел с удельной поверхностью 300 м<sup>2</sup>/кг
24
23
-
21
-
19
-
-
-
-
2.3. Молотый известняк с удельной поверхностью 280 м<sup>2</sup>/кг
-
-
22
-
20
-
-
-
-
-
3. Отощитель
3.1. Кварцевый песок
-
-
-
-
-
-
11
10
9
8
3.2.
Гранулированый доменный шлак фр. 0-5 мм
12
11
10
9
8,0
7,9
-
-
-
-
4. Плавень
4.1. Хлорид натрия
-
-
-
-
-
-
0,5
0,55
0,6
1,0
4.2. Бой листового стекла (зеркального, оконного и др.) с удельной поверхностью 280-300 м<sup>2</sup>/кг
0,4
0,5
0,55
0,6
1,0
1,1
-
-
-
-