Повышение прочности изделий строительной керамики: от теории к практике

УДК 662

А. М. Салахов, Л. Р. Тагиров, Р. А. Салахова,

Г. Р. Фасеева, А. И. Хацринов

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ:

ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

Ключевые слова: глина, технология, строительная керамика, теория, практика, стеклофаза, сушка, обжиг.

Проанализированы результаты исследования керамического сырья и, прежде всего наличия стеклофазы. Обоснованы технологические параметры обжига сырья.

Key words: clay, technology, building ceramics, theory, practice, glass phase, drying, calcinations.

Analyzed the results of studies of ceramic raw materials and, above all, the presence ofglass phase. Justified by the technological parameters firing of raw materials.

В последние десятилетия в Республике Татарстан, как и во всей Российской Федерации создаются современные предприятия по производству строительной керамики. В основу технологии закладываются последние достижения химии и физики твердого тела, неравновесной термодинамики и других наук, что позволило существенно расширить номенклатуру производимых изделий, значительно повысить их прочностные характеристики. Одновременно существенно расширена сырьевая база строительной керамики. Ушли в прошлое времена, когда качественным сырьем считались лишь каолиновые глины, а неудовлетворительное качество производимой продукции объяснялось отсутствием таковых в республике. В то же время, в учебной и научной литературе зачастую преобладают представления, основанные на стереотипах прошлого. Исследования, основанные на изучении одного типа сырья, чаще всего именно каолиновых глин, зачастую совершенно необоснованно переносятся на другие типы сырья.

Исследования, проведенные в последние годы, позволяют уточнить некоторые понятия. Вопреки сложившимся представлениям, что прочность керамического материала определяется, прежде всего, наличием стеклофазы, в диссертации А.Г. Ашмарина [1] на основе изучения зарубежного опыта показано, что количество жидкой фазы во избежание размягчения и деформации керамических изделий, должно поддерживаться небольшим, в керамических изделиях из легкоплавких глин, обжигаемых в штабеле не должно превышать 25% (объемных). Проведенные нами исследования свидетельствуют о том, что доля стеклофазы во многих изделиях строительной керамики (в отличие от фарфора) совершенно незначительна. Действительно, данные рентгеноструктурного анализа изделий заводов «Алексеевская керамика» и «Ключищенская керамика»свидетельствуют о том, что в стеновой керамике, обожженной при температуре до 1000°С практически отсутствует аморфное гало (рис. 1).

Изделия заводов «Алексеевская керамика» и «Ключищенская керамика» отличаются высоким качеством, имеют прочность свыше 12,5 МПа, а их водопоглощение связано не столько с наличием стеклофазы, а с наличием пор, образованных при диссоциации карбонатов. Более того, в керамических изделиях, обожженных при значительно более высоких температурах, например в керамическом клинкере немецкой фирмы АВС, доля стеклофазы несколько выше, но тоже незначительна, при том, что обжиг его осуществлен при 1200°С, водопоглощение его менее 4%, а прочность на сжатие превышает 150 МПа.

Таким образом, тезис о том, что прочностные характеристики керамических материалов определяется наличием значительной доли стеклофазы, нельзя распространять на все изделия строительной керамики. С нашей точки зрения, такая закономерность может быть присуща в первую очередь фарфоровым изделиям, производимым из каолиновых глин.

Рис. 1 - Дифрактограмма керамического кирпича ОАО «Алексеевская керамика». Температура обжига 980°С

Мы не можем согласиться с широко распространенным положением [2], что «перед обжигом сырец сушат до влажности 5 - 7%». Опытные технологи хорошо знают, что изделия, укладываемые для обжига в штабель, должны быть иметь влажность ниже критической. В противном случае неизбежны деформации сырца уже на ранней стадии обжига. Опыт передовых предприятий России: ЗАО «Норский кирпичный завод», ОАО «Победа ЛС Р», в Республике Татарстан «Винибергер кирпич». «Алексеевская керамика», «Ключищенская керамика» и других показывает, что сушка изделий должна осуществляться до влажности 1 -2%, только тогда обеспечивается ее бездефектность. Также мы не можем согласиться с публикацией в общероссийском научно-техническом журнале [3], где авторы - инженернотехнические работники ОАО «Ревдинский кирпичный завод» пишут: «...был приобретен электронный микроскоп Ьеюа с возможностью 1000-кратного увеличения. Реальный минеральный состав кирпича представлен преимущественно стеклофазой 41 - 50 мас. %; кварцем 15 - 35 мас. %; анортитом 5 - 22 мас. % и диопситом 8 - 12 мас.%.». Заметим, что микроскопы данной фирмы являются оптическими, но никак не электронными. При содержании стеклофазы свыше 40% изделие просто обязано было потерять свою форму, вместо кирпича получился бы блин.

Мы полагаем, что, прежде всего, необходимо иметь в виду высокую дисперсность кристаллических новообразований (менее 300 нм), а также то, что область видимого спектра электромагнитного излучения 350 - 750 нм, тогда можно предположить, что оптический микроскоп воспринимает новообразования как аморфную фазу. Далее авторы статьи связывают физико-механические характеристики (макроскопические!) с наличием кристаллических новообразований, забывая, что наноразмерные частицы по своим свойствам принципиально отличаются от частиц миллиметрового диапазона. Влияние размера кристаллических новообразований на физические характеристики изделий изучено пока недостаточно. Ранее нами показано [4], что с изменением времени выдержки при максимальной температуре обжига существенно меняются прочностные характеристики изделий.

Можно сделать вывод, что во время обжига выдержка изделий при максимальной температуре должна быть не менее 5 часов, а с учетом масштабного фактора - 7-8 часов. Развивая эту тему, при дальнейших исследованиях установлено, что фазовый состав такого рода изделий при этом не меняется.

Мы полагаем, что снижение водопоглощения с 14 до 8% и повышение плотности с 1,7 до 1,8 г/см при неизменном фазовом составе может быть связано с ростом кристаллических новообразований. Для сравнения мы проанализировали образцы средневековой керамики - так называемые сфероконусы (рис. 2), отличающиеся весьма высокой твердостью (7 по шкале Мооса).

Рис. 2 - РЭМ-фото фрагмента сфероконуса

Высокие прочностные свойства сфероконусов связаны с достаточно крупными (1 мкм) кристаллическими новообразованиями, вероятно в этом и заключается «секрет» средневековых мастеров. Детально нами исследованы глины Кунгурского месторождения (Пермский край). Изучение гранулометрического состава с построением диаграммы Винклера (рис.3) показало, что из данного сырья при соответствующих режимах возможно производство всех видов строительной керамики.

Рис. 3 - Диаграмма Винклера сырья Кунгурского месторождения

Исследование сушильных свойств с построением диаграммы Биготта (рис.4) показало, что сырье весьма чувствительно к сушке, критическая влажность составляет 8,49%. Это означает, что при производстве полнотелого кирпича (или клинкера) для достижения необходимой влажности в 1,5 - 2% целесообразно увеличить время сушки.

Рис. 4 - Кривая Биготта глины Кунгурского месторождения

На основе полученных данных были разработаны рекомендации для оптимальных режимов сушки и обжига для вновь строящегося кирпичного завода (рис. З, б).

Кривые сушки керамического кирпича

~ -температура влагоотдача

время сушки, час

У

Я

н

о

о

я

СП

Рис. 5 - Диаграмма сушки полнотелого керамического кирпича

О

О 3 6 9 12 IS IK 21 24 2/ .10 33 ЛЬ 34 Л2

кремм ім'їжіп а, час

Рис. 6 - Диаграмма обжига полнотелого кирпича

Подобранные режимы сушки и обжига позволили получить изделия пробной партии с прочностью при сжатии 70-80 МПа, при изгибе - 18-20 МПа. Данные показатели существенно превышают прочностные характеристики производимого сегодня кирпича, что является залогом успешной работы проектируемого предприятия.

Литература

1. Ашмарин, А.Г. Керамические стеновые материалы на основе цеолитсодержащего глинистого сырья: дис. ... канд.техн.наук / Ашмарин А.Г. - Красково, 2005.

2. Рыбьев, И.А. Строительное материаловедение: Учеб. пособие для вузов /И.А. Рыбьев. - М.: Высш шк., 2003. - 701 с.

3. Иванова, О.А. Минералогический анализ как основа качества керамического кирпича / О.А. Иванова, В.А. Клевакин // Строительные материалы. - 2010. №12 - С. 13-15.

4. .Салахова, Р.А. Высокопрочные керамические стеновые изделия из легкоплавких глинистых и опал-кристобалитовых пород: дис. ... канд. техн. наук / Салахова Рената Альмировна. - Красково, 2011.

© А. М. Салахов - канд. техн. наук, доц. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ; Л. Р. Тагиров - д-р физ.-мат. наук, науч. рук. НІ III «Клинкерная керамика КФУ» КФУ;

Р. А. Салахова - асп. Всероссийский научно-исследовательский институт строительных материалов им. П.П. Будникова (п. Красково, Московской обл.); Г. Р. Фасеева - зав. лаб. завода ОАО «Ключищенская керамика»; А. И. Хацринов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, Khatsrin@mail.ru.