СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АЭРИРОВАННЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF MANUFACTURING THE AERATED CERAMICS

Изобретение относится к производству аэрированной (ячеистой) керамики строительного назначения и может быть использовано в качестве конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных изделий при возведении зданий и сооружений, в качестве несущих и самонесущих конструктивных элементов, а также в качестве декоративных элементов для наружной и внутренней облицовки ограждающих конструкций.
Аэрированные керамические изделия могут изготавливаться в виде блоков, камней, плит, кирпичей, фасонных элементов индивидуальной формы, а также в качестве легкого заполнителя и окрашивающего наполнителя для сухих строительных смесей.
Уровень техники
Известен способ получения пенокерамических изделий, включающий приготовление глиняной массы путем перемешивания сырьевой смеси, состоящей из глинистого компонента, воды и добавок, в том числе порообразующей добавки, формование глиняной массы, ее сушку и обжиг.(RU 2349563 С2, С04В 38/02, 20.03.2009). В известном способе в качестве порообразующей добавки используется выгорающая добавка в виде древесных опилок. Недостатком известного способа является использование в качестве одной из добавок портландцемента, что может являться причиной ускоренного появления соляных налетов на поверхности изделий. При этом известный способ является недостаточно экологичным за счет использования в нем в качестве добавок к сырьевой смеси портландцемента и отходов от травления алюминия, а также за счет загрязнения окружающей среды в процессе выгорания древесных опилок.
Известен способ изготовления вспененных строительных материалов, включающий приготовление глиняной массы путем перемешивания сырьевой смеси, состоящей из глинистого компонента, воды и добавок, в том числе порообразующей добавки, формование глиняной массы, ее сушку и обжиг.(RU 2517133 С2, С04В 38/08, В28В 5/04, 27.05.2014). Известный способ позволяет изготавливать более легкие пенокерамические строительные материалы при повышении их теплоизоляционных и шумоизоляционных свойств, чем первый аналог. Это объясняется использованием в качестве порообразующей добавки пенообразователя, в частности, ПБ - 2007. При этом порообразующая добавка используется в качестве основы для приготовления технической пены, которая вводится в сырьевую смесь при ее перемешивании. К недостаткам известного способа следует отнести необходимость использования достаточно большого количества дорогостоящего пенообразователя для получения пены, а также повышенную трудоемкость технологического процесса равномерного смешения отдельно приготовленной пены и глиняной массы в смесителе.
Известен способ изготовления изделий строительной поризованной (аэрированной) керамики, включающий приготовление аэрированной глиняной массы (ATM) путем перемешивания сырьевой смеси, состоящей из глинистого компонента, воды и добавок, в том числе порообразующей добавки, формование ATM, сушку ATM, резку полученной после сушки ATM, обжиг ATM и механическую обработку полученных аэрированных керамических изделий (АКИ). (RU 2621796 C1, С04В 33/04, С04В 33/16, С04В 38/10, С04В 40/00, 07.06.2017). В данном способе для приготовления ATM используется скоростной смеситель, под воздействием вращения лопастей мешалок которого производится интенсивное перемешивание сырьевой смеси до получения ATM с образованием в ней воздушных пузырьков. В данном способе порообразующая добавка изготавливается в виде водного углеводородного раствора поверхностно - активных веществ (ПАВ). При этом дополнительно в качестве одной из добавок используется разжижающая добавка в виде электролитов на основе или стекла натриевого жидкого, или стекла калиевого жидкого, или на основе кальцинированной технической соды, или на основе их сочетаний. Также дополнительно используется отощающая добавка в виде измельченного порошкообразного материала на основе или шамота, или природных песков, или песков из отсевов дробления, или молотого стекла, или боя глиняной керамики, или дегидратированной глины, или золы, или шлаков, или пиритных огарков, или побочных продуктов обогащения железных руд, или их сочетаний. При этом в данном способе дополнительно используется армирующая добавка в виде фибры.
Данному устройству присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемого изобретения, поэтому данный способ принят автором в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является то, что операция резки АКИ выполняется непосредственно после обжига и является достаточно трудоемкой из-за высокой температуры АКИ. К недостатку прототипа относится также трудоемкость транспортировки ATM от смесителя к месту ее укладки в форму, что ограничивает варианты возможного размещения технологического оборудования для смешения и формования глиняной массы в производственном помещении.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа получения АКИ на основе широко распространенных глинистых пород с различным минеральным и химическим составом, с возможностью изготовления окрашенных по всему объему АКИ и АКИ с декоративными и защитными покрытиями, при снижении трудоемкости изготовлении АКИ.
Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления АКИ, включающем приготовление ATM путем перемешивания в скоростном смесителе сырьевой смеси, состоящей из глинистого компонента, воды, а также порообразующей добавки в виде водного углеводородного раствора ПАВ, разжижающей добавки, изготовленной в виде электролитов на основе или стекла натриевого жидкого, или стекла калиевого жидкого, или на основе кальцинированной технической соды, или на основе их сочетаний, отощающей добавки, изготовленной в виде измельченного порошкообразного материала на основе или шамота, или природных песков, или песков из отсевов дробления, или молотого стекла, или боя глиняной керамики, или дегидратированной глины, или золы, или шлаков, или пиритных огарков, или побочных продуктов обогащения железных руд, или их сочетаний, и армирующей добавки в виде фибры, формование ATM, сушку ATM, резку полученной после сушки ATM, обжиг АМГ и механическую обработку полученных АКИ, отличающийся тем, что в качестве глинистого компонента используют смесь глинистых пород в измельченном состоянии с максимальным размером частиц не более 30,5 мм, которую изготавливают на основе или легкоплавкой глины, или тугоплавкой глины, или суглинка, или огнеупорной глины, или каолина, или лесса, или лессового суглинка, или трепела, или диатомита, или аргиллита, или алевролита, или сланца, или бентонитовой глины; перемешивание сырьевой смеси осуществляют в скоростном смесителе под избыточным давлением; при этом полученное после обжига АКИ охлаждают, а затем подвергают его механической обработке и обеспыливают.
При этом в некоторых случаях после сушки ATM производят увлажнение поверхностного слоя ATM и его затирку.
При этом в некоторых случаях на поверхность АКИ наносят защитное покрытие с помощью или гидрофобизирующего полимерного состава, или с помощью шпаклевки минеральной, или с помощью шпаклевки полимерной, или с помощью штукатурки минеральной, или с помощью штукатурки полимерной.
При этом в некоторых случаях в сырьевую смесь вводят окрашивающую добавку, которую изготавливают в виде порошкообразного неорганического соединения на основе или оксида железа, или оксида меди, или оксида кобальта, или оксида хрома, или оксида никеля, или оксида титана, или оксида магния, или оксида цинка, или оксида натрия, или оксида калия, или их сочетаний.
При этом в некоторых случаях поверхность или части поверхности АКИ окрашивают или водоэмульсионной, или акриловой, или латексной, или силиконовой, или алкидной, или силикатной краской.
При этом в некоторых случаях на поверхность высушенной ATM и/или на поверхность АКИ наносят декоративное покрытие с помощью или глазури, или ангоба, или надглазурной керамической краски, или подглазурной керамической краски.
При этом в некоторых случаях нанесение декоративного покрытия на поверхность АКИ выполняют с помощью или сублимированной печати, или с помощью деколи, или с помощью ультрафиолетового струйного принтера, или с помощью прямой цифровой печати с образованием полимерного слоя без использования термической обработки, или с помощью устройств, которые станут известны при использовании предлагаемого способа.
Техническим результатом при использовании предлагаемого способа является сокращение продолжительности производственного цикла изготовления АКИ, снижение трудоемкости технологических операций и расширение применения АКИ на основе глинистых пород.
Указанный технический результат по сокращению продолжительности производственного цикла изготовления АКИ достигается тем, что в отличие от прототипа при приготовлении сырьевой смеси в предлагаемом способе используют глинистый компонент на основе смеси нескольких глинистых пород различного минерального и химического состава в измельченном состоянии с максимальным размером частиц не более 30,5 мм, что позволяет получить ATM требуемой подвижности, но с меньшим содержанием воды и тем самым сократить время сушки ATM, сократив при этом продолжительность всего производственного цикла изготовления АКИ по сравнению с прототипом.
Указанный технический результат по снижению трудоемкости технологических операций достигается тем, что приготовление ATM и ее формование производят под избыточным давлением в скоростном смесителе, что позволяет осуществлять пневматическую подачу ATM к месту ее формования на значительные расстояния. Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе производят механическую обработку охлажденных после обжига АКИ, что позволяет изготавливать АКИ с разнообразными формами поверхности с меньшими трудозатратами и с более высокой точностью обработки, при уменьшении расходов на приобретение режущих инструментов за счет увеличения их срока службы.
Указанный технический результат по расширению применения АКИ на основе глинистых пород по сравнению с прототипом достигается в некоторых случаях за счет того, что после сушки ATM производят увлажнение поверхностного слоя ATM и его затирку, что позволяет получить различные типы фактур поверхностей готовых АКИ. При этом АКИ с плоскими и, в частности, с обеспыленными поверхностями могут быть использованы в качестве элементов при строительстве с применением 3D принтеров и связующего слоя между ними. При этом АКИ с гранями, имеющие замковый принцип соединения друг с другом, например, торцевые соединения, крестовые соединения, угловые соединения и другие соединения, могут быть использованы при возведении строительных конструкций без использования связующих растворов (например, ссылка на электронный ресурс http://3dwiki.ru/3d-pechatnye-keramicheskie-bloki-polybricks-zamenyat-privychnye-kirpichi/ от 03.07.2014). При этом увлажнение поверхностного слоя и его затирка позволяет снизить трудоемкость нанесения на поверхность АКИ декоративных и/или защитных покрытий.
Указанный технический результат по расширению применения АКИ на основе глинистых пород достигается в некоторых случаях за счет возможности изготовления АКИ, окрашенных по всему объему. Это объясняется добавлением в сырьевую смесь окрашивающей добавки, которую изготавливают в виде порошкообразного неорганического соединения. При этом появляется возможность окраски АКИ в разные цветовые оттенки. Так, например, для получения объемного окрашивания в зеленые цветовые оттенки используют смеси оксида меди и кобальта, а для получения синих цветовых оттенков используют смеси оксидов кобальта, хрома и меди.
Указанный технический результат по расширению применения АКИ на основе глинистых пород по сравнению с прототипом достигается в некоторых случаях за счет возможности изготовления АКИ с декоративными и/или защитными покрытиями. При этом для окрашивания поверхности или части поверхности АКИ используют такие краски, как водоэмульсионная, акриловая, латексная, силиконовая, алкидная или силикатная. Для декорирования поверхности высушенной ATM или поверхности АКИ используют или глазурь, или ангоб, или надглазурная керамическая краска, или подглазурная керамическая краска. Защитные покрытия поверхностей готового АКИ выполняют с помощью или гидрофобизирующих полимерных составов или шпаклевками минеральными, или шпаклевками полимерными, или штукатурками минеральными, или штукатурками полимерными. При этом используют такие способы нанесения покрытий как сублимированная печать или деколь. Кроме того, нанесение покрытий осуществляют, например, с помощью ультрафиолетовых струйных принтеров, или прямой цифровой печати с образованием полимерного слоя без использования термической обработки, или с помощью других устройств, которые станут известными на дату использовании предлагаемого способа.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
На первом этапе изготовления АКИ производится приготовление сырьевой смеси. Состав сырьевой смеси формируется из глинистого компонента, воды и специальных добавок: порообразующей, разжижающей, отощающей и армирующей добавки. В некоторых случаях, в сырьевую смесь вводится окрашивающая добавка, которая изготавливается в предлагаемом способе в виде порошкообразного неорганического соединения на основе или оксида железа, или оксида меди, или оксида кобальта, или оксида хрома, или оксида никеля, или оксида титана, или оксида магния, или оксида цинка, или оксида натрия, или оксида калия, или их сочетаний. В качестве глинистого компонента в предлагаемом способе используется смесь глинистых пород различного минерального и химического состава в измельченном состоянии с максимальным размером частиц не более 30,5 мм, которая изготавливается на основе или легкоплавкой глины, или тугоплавкой глины, или суглинка, или огнеупорной глины, или каолина, или лесса, или лессового суглинка, или трепела, или диатомита, или аргиллита, или алевролита, или сланца, или бентонитовой глины. Влажность глинистого компонента устанавливается не более 75%. Глинистый компонент используется в качестве пластичной матрицы, способной удерживать другие компоненты сырьевой смеси в равномерно распределенном состоянии, образовывать ячеистую структуру при аэрировании, сохранять форму в высушенном состоянии, а также приобретать свойства камня при термической обработке. Кроме того, в качестве глинистого компонента в предлагаемом способе используются побочные продукты, образующиеся при резке АГМ после ее сушки. В предлагаемом способе при приготовлении сырьевой смеси используется или питьевая вода, или естественная поверхностная вода, или грунтовая вода, или техническая вода, или вода после промывки оборудования для производства АКИ, или морская вода, или засоленная вода, или омагниченная вода, или их сочетание.
3
На втором этапе изготовления АКИ производится приготовление ATM из сырьевой смеси, для чего сырьевая смесь подвергается перемешиванию при температуре не более 85°С. Для перемешивания сырьевой смеси используется скоростной смеситель с частотой вращения мешалок не более 3400 оборотов в минуту. Перемешивание производится под избыточным давлением до момента достижения равномерного распределения всех компонентов по объему полученной глиняной массы. Далее масса подвергается дальнейшему перемешиванию с целью ее аэрирования. Перемешивание производится в скоростном смесителе с рабочим давлением воздуха не более 7 атмосфер до достижения плотности полученной ATM более 150 кг/м. Давление в смесителе создается с помощью принудительной подачи в него сжатого воздуха. При этом в предлагаемом способе приготовление глиняной массы и изготовление из нее ATM осуществляется как в одном скоростном смесителе, так и в отдельных скоростных смесителях, в зависимости от требуемой производительности и от компоновки технологической линии. В качестве скоростного смесителя для АГМ используются типовые перемешивающие устройства, работающие по принципу баротехнологии, например, скоростные смесители турбулентного типа или кавитационные скоростные смесители.
На третьем этапе изготовления АКИ производится формование АГМ и ее сушка, для чего полученная АГМ укладывается в форму. При этом используются жесткие формы, например, бортовые и/или разборные, в частности, смазанные специальными составами, уменьшающими адгезию. После укладки АГМ в форму, осуществляют сушку АГМ. В основе определения оптимального режима сушки АГМ используется показатель критического градиента влажности, определяемый разницей влажности между ее центром и поверхностью, отнесенной к единице длины. После окончания достижения требуемой влажности АГМ освобождается от формы. Следует отметить, что сохранение пористой структуры отформованной АГМ обеспечивается за счет способности глинистого компонента создавать устойчивые суспензии в дисперсионной среде, а затем коагулировать, образовывая прочные пространственные связи. В предлагаемом способе в некоторых случаях, например, для подготовки поверхности к нанесению декоративного и/или защитного покрытия, или в иных целях, после сушки АГМ производится увлажнение ее поверхностного слоя и его затирка.
На четвертом этапе изготовления АКИ производится резка полученной после сушки АГМ на отдельные изделия. При этом следует отметить, что в предлагаемом способе получаемые при резке АГМ побочные продукты используются в производстве АКИ повторно в качестве глинистого компонента.
На пятом этапе изготовления АКИ производится термическая обработка (обжиг) нарезанных изделий. В предлагаемом способе обжиг производится при температуре не более 1650°С, при этом режим обжига рассчитывается исходя из свойств компонентов сырьевой смеси. При обжиге, в процессе теплообмена и массообмена, в изделиях из АГМ осуществляются сложные фазовые и химические превращения, за счет чего ими приобретаются новые основные физико-механические свойства готовых АКИ.
На шестом этапе изготовления АКИ производится охлаждение полученных после обжига АКИ, их механическая обработка для придания им необходимой геометрической формы и обеспыливание АКИ. В некоторых случаях после обеспыливания на поверхность или часть поверхности АКИ наносятся окрашивающие и/или защитные покрытия. В конце шестого этапа изготовления готовые АКИ упаковываются и, например, отправляются на склад готовой продукции.
Техническая сущность и практическая применимость предлагаемого способа изготовления АКИ поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 показана фотография, на которой изображена АГМ, отформованная в виде кирпича с размерами 250×120×65 мм; на фиг. 2 показана фотография, на которой изображены готовые АКИ в виде кирпичей с размерами 250×120×65 мм; на фиг. 3 показана фотография, на которой изображен фрагмент пористой структуры АКИ в увеличенном виде.
В соответствии с предлагаемым способом были изготовлены АКИ со следующими характеристиками:
коэффициент конструктивного качества
от 4,1 до 30,8
коэффициент размягчения
от 0,81 до 0,99
коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅С)
от 0,04 до 0,51
размер распределенных по всему объему
сферических пор
менее 5 мм
средняя плотность, кг/м<sup>3</sup>
менее 1000
При этом использование в предлагаемом способе сырьевой смеси на основе глинистых пород предложенного автором состава, позволило расширить номенклатуру АКИ по сравнению с прототипом за счет изготовления окрашенных по всему объему АКИ, а также за счет изготовления АКИ с декоративными и/или защитными покрытиями при снижении трудоемкости их изготовления и при сокращении продолжительности производственного цикла изготовления АКИ. Также, результаты экспериментов показали, что АКИ, изготовленные с использованием предлагаемой автором сырьевой смеси на основе глинистых пород различного минерального и химического состава, являются негорючими строительными материалами с маркой по морозостойкости не менее F35 и позволяют возводить строительные конструкции с классом пожарной опасности К0 и пределом огнестойкости REI240.