СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ
METHOD FOR PRODUCTION OF CONSTRUCTION CERAMIC ITEMS

Изобретение относится к технологии изготовления строительных материалов, а именно к производству строительной керамики, и может быть использовано в производстве изделий широкой номенклатуры (кирпич, черепица, изразцы и другие) методом пластического формования при применении сырьевой смеси, включающей серпентинсодержащие попутные продукты и глину различного химико-минералогического состава.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ изготовления строительного кирпича (а.с. № 1164223, С04В 33/02, Б.И. № 24, 1985) путем смешивания легкого суглинка, каменноугольной золы теплоэлектростанций (ТЭС) в соотношении 3:2. Смесь данных компонентов затворяется водным раствором связующего - сульфитно-спиртовой бардой, которое предварительно активируется электролизным способом в специальном приборе. В поле постоянного тока образуются щелочная и кислая среды. Растворы обеих сред используются раздельно. Из смеси формуются пластическим способом образцы, подсушиваются в интервале температур: начальная 35-40°С, конечная 100-105°С в течение 10-15 часов, затем обжигаются при температуре 800°С в течение 1 часа.
Недостатком этого решения является повышенная формовочная влажность - 26-27%, низкая пластичность формовочной смеси, низкая производительность электролизера, плохая воспроизводимость результатов, ограничение области использования (данный способ наиболее эффективен для узкого диапазона сырья - суглинков в композиции с каменноугольной золой ТЭС). Повышенная формовочная влажность определяет увеличение энергозатрат на удаление механически примешанной воды и длительность сушки керамического сырца. Кроме того, суглинки по происхождению не относятся к глинистым породам. Только после смачивания их водой они проявляют свойственную глинам способность к формообразованию, однако рассматриваемый в способе состав сырьевой смеси (суглинки 60%, каменноугольная зола ТЭС 40%), даже после затворения ее активированным связующим ССБ не позволяет получить искусственный камень заявленной прочности.
Технической задачей является получение изделий строительной керамики, обладающих высокой прочностью, не склонных к трещинообразованию и имеющих низкую усадку в процессе сушки и обжига, улучшенными показателями водопоглощения, средней плотности, морозостойкости.
+3
+3
+2
Техническая задача достигается тем, что в способе получения изделий строительной керамики, включающем подготовку сырьевых материалов серпентинсодержащих попутных продуктов и глины различного химико-минералогического состава, смешивание, затворение их водой, формование изделий методом пластической технологии, сушку и обжиг, воду для затворения нагревают до 40-45°С, а затем при помощи электролиза насыщают ионами металлов электродов Al, Fe, Cu до эффективности электроактивации воды ионами металлов не ниже 40%.
3+
+3
+2
Достижение улучшенных физико-механических показателей объясняется тем, что в результате электроактивации вода насыщается ионами металлов электродов (Al, Fe, Cu), которые изменяют поверхностное натяжение воды, увеличивают адсорбционные свойства частиц твердой фазы, увеличивают способность глины набухать и распускаться в воде. Увеличение дисперсности частиц повышает пластичность в целом керамической массы, ее связующую способность, механическую прочность после обжига. Объемные деформации в процессе обжига природных силикатов магния обуславливают снижение общей усадки в процессе сушки и обжига и позволяют получить малоусадочные изделия, стойкие к трещинообразованию. При электрообработке вода насыщается ионами металлов электродов, которые играют роль дополнительных центров кристаллизации, что катализирует образование длинных минеральных молекул, которые армируют керамические изделия во время сушки и обжига, и способствует формированию структурообразующих минералов типа муллита, клиноэнстатита, форстерита (данные фазового и структурного рентгеновского анализа, проведенные совместно с лабораторией «Нанотехнологии» ОАО «Технопарк» ОГУ), что объясняет повышение трещиностойкости и механической прочности изделий. Степень эффективности электроактивации ниже 40% не оказывает влияния на изменение технологических показателей и физико-механических свойств изделий, что делает экономические затраты на активацию воды неэффективными. В то же время при степени эффективности электроактивации выше 60% в зависимости от применяемых электродов наблюдается повышение температуры обжига изделий (в случае применения алюминиевых электродов), изменение цвета керамического черепка (в случае применения электродов из железа) и т.д., что нежелательно.
Способ осуществляется следующим образом. Исходные глины могут характеризоваться различным химико-минералогическим составом, числом пластичности. При проведении эксперимента применялась глина Чернореченского месторождения Оренбургской области, относящаяся по числу пластичности к группе умеренно-пластичных глин. По минералогическому составу глины Чернореченского месторождения - смешанослойные образования хлорито-гидрослюдистого состава, с примесью кварца, полевого шпата. Доля непластичной составляющей глины порядка 30%. Огнеупорность глин колеблется от 1180°С до 1200°С. Максимальная температура спекания - 1150°С. Чувствительность глины к сушке - высокая. Химический состав глин представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химические составы исходного сырья
Вид сырья
Содержание оксидов, %
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
Σ R<sub>2</sub>O
п.п.п.
Σ
Глина Чернореченского месторождения
60,57
11,27
4,7
8,74
2,42
3,23
9,07
100,0
Серпентинсодержащие попутные продукты
35,51
0,67
8,0
0,85
41,04
0,24
13,69
99,98
В качестве комплексной добавки применяются вскрышные и вмещающие горные породы ультраосновного состава, получаемые как попутные продукты на горно-обогатительных комбинатах. Основными породообразующими минералами являются оливин (до 25%), серпентин (48-75%). В небольших количествах встречаются шпинели (2-3%), магнетит (до 1%), тальк (12-14%) и другие минералы. Данное техногенное сырье не используются в огнеупорной промышленности.
2
Для проведения эксперимента применялась сырьевая смесь следующего состава: глина - 30%; серпентинсодержащие попутные продукты - 70%. Глина и попутные продукты промышленности предварительно подвергаются грубому и тонкому помолу. Нами установлено, что повышение температуры воды перед ее электроактивацией значительно увеличивает эффективность насыщения воды ионами металлов при электролизе, очевидно, за счет увеличения подвижности ионов. Увеличение температуры на 10°С улучшает эффективность электроактивации на 3-5%. Кроме того, увеличение температуры воды для затворения сырьевой смеси облегчает процесс кристаллообразования при сушке и формовании изделий керамики. Поэтому перед электроактивацией вода для затворения подогревалась. В ходе проведения эксперимента выполнено три серии опытов, в которых воду для затворения смеси подогревали до температуры 40; 43; 45°С, а затем ее насыщали ионами металлов, пропуская между электродами из металлов, ионы которых принимают активное участие в структуро- и фазообразовании керамики. Авторами установлено, что для керамического производства наиболее эффективной парой электродов является алюминиевый анод и медный катод. Данная пара элементов и использовалась при проведении эксперимента. Расстояние между электродами 3 мм, площадь электродов 12 см.
A
H
На электроды подавали постоянное напряжение до достижения эффективности электроактивации не ниже 40%. Эффективность электроактивации определяли по соотношению времен осаждения порошка оксихлорида висмута в активированной (t) и неактивированной (t) воде по формуле:
H
A
В таблице 2 указаны условия проведения эксперимента. Например, для серии 1 получены: t=58,8 с; t=42 с, поэтому Э=40%.
Таблица 2
Условия проведения эксперимента
Условия проведения эксперимента
Предлагаемый способ
Прототип
Серия 1
Серия 2
Серия 3
1
2
3
4
5
Температура подогрева воды, °С
40
43
45
-
Эффективность электроактивации, %
40
40
40
-
Количество воды затворения (в примере использовалось 18%) изменяется в зависимости от природы глинистого сырья и соотношения между компонентами. Подготовленная смесь вылеживается в течение 1 суток с целью равномерного распределения влаги по объему материала и подвергается формованию. Далее изделие - сырец подвергается сушке при температуре от 35-40°С (начальная) до 100-105°С (конечная) в течение 10-15 часов, затем обжигаются при температуре 920-950°С в течение 30 минут.
В таблице 3 приводятся данные о физико-механических характеристиках керамических изделий, изготовленных по предлагаемой технологии.
Таблица 3
Физико-механические свойства изделий
Показатели
Предлагаемый способ
Прототип
Серия 1
Серия2
Серия 3
1
2
3
4
5
усадка общая, %
7,82
7,90
7,95
11,45
коэффициент чувствительности к сушке
0,12
1,03
0,14
0,51
средняя плотность, г/см<sup>3</sup>
1,72
1,74
1,76
1,4
водопоглощение, %
15,10
15,0
14,97
20
предел прочности при сжатии, кгс/см<sup>2</sup>
182,4
188,1
193,5
80
предел прочности при изгибе, кгс/см<sup>2</sup>
50,2
52,4
53,7
22
морозостойкость, циклы
50
50
50
25
В качестве прототипа приведены данные образцов, полученных по технологии прототипа. Образы были изготовлены в соответствии с технологией, принятой на предприятиях строительной керамики. Испытания на прочность проводились по стандартной методике (ГОСТ 7025-91) на гидравлическом прессе. Среднюю плотность определяли с помощью электронных весов по ГОСТ 7025-91. Общую усадку, коэффициент чувствительности к сушке, водопоглощение определяли в соответствии с ГОСТ 27180-2001, ГОСТ 7025-91. Морозостойкость исследовали по ГОСТ 7025-91. В каждой серии опытов для определения физико-механических свойств изготавливалось по 4 вида образцов стандартной формы (кубики, плиточки), которые усреднялись.
В процессе обогащения обрабатываемой воды ионами металлов электродов последние в процессе обработки будут расходоваться. Элементарный расчет показывает, что для активации 1 л воды необходимо израсходовать от 3,5 до 4,0 миллиграммов алюминия (в случае использования алюминиевых электродов).
Таким образом, по сравнению с прототипом изделия, изготовленные по заявляемому способу, характеризуется:
- водопотребность формовочной массы снижена на 30,8-33,3%;
- более высокой порочностью: прочность на сжатие и изгиб возрастает в 2,28-2,44 раза;
- более низкой усадкой в процессе сушки и обжига: уменьшается на 31-32%;
- меньшей склонностью к трещинообразованию при сушке и улучшенными показателями водопоглощения: водопоглощение уменьшается на 24,5 - 25,2%; коэффициент чувствительности к сушке уменьшается на 72,5-76,5%;
- увеличением морозостойкости в два раза.