СОСТАВ МАССЫ ДЛЯ СТЕНОВОЙ КЕРАМИКИ
COMPOSITION FOR WALL CERAMIC

Изобретение относится к составам керамических масс для изготовления стеновых строительных изделий преимущественно эффективного и условно-эффективного кирпича и пористо-пустотелых камней, и может быть использовано в промышленности строительных материалов.
Известен состав пористой керамики для теплоизоляции стен, преимущественно тепловых агрегатов, включающий мас.%:
вспученный вермикулит
40-50;
глина высокопластичная
50-60.
(см. К.Э.Горяйнов, К.Н.Дубенецкий, С.Г.Васильков и др. Технология тепло-изоляционных материалов и легких бетонов. - М.: Изд-во литературы по строительству - 1966, с.212, пункт «а».).
Достоинства керамических изделий, изготовленных на основе известного состава массы:
- простая технология формования полуфабрикатов - заливочный метод с кратковременным вибрированием;
- изделия применяются для теплоизоляции поверхности тепловых агрегатов с температурой до 1000°С;
- содержит всего два компонента.
Наряду с достоинствами состава керамической массы имеются и недостатки:
3
2
- низкая плотность и прочность изделия (средняя плотность 300 кг/м, предел прочности при изгибе 1,8-2 кгс/см (0,18-0,2 МПа)), что лимитирует применение изделий для самонесущих конструкций стен жилых и промышленных зданий, в том числе для стен тепловых агрегатов.
7
Известен и второй состав керамической массы для стеновой керамики, приведенный в патенте РФ №2270178, МПК С04В 33/00, опубл. 20.02.2006. Известный состав включает, мас.%:
глинистое легкоплавкое сырье (суглинок +
полукислая пиритизированная глина)
83-85;
- термообработанные:
1) углесодеращая тугоплавкая глина
8,5-10;
2) низкокальциевая буроугольная зола
2,0-5;
стеклобой (молотый)
0,9-1,5;
вспученный мелкодисперсный
вермикулитовый отощитель
фракции 0-1,25 мм
1,5-2;
отход производства мела, содержащий
гидратированную известь 48-49 мас.%
0,1-0,5.
3
На основе известного состава керамической массы получают стеновой кирпич, повышенной плотности (более 1400 кг/м) и достаточно высокой прочности марки не менее M100.
Наряду с достоинствами известного состава массы имеются следующие недостатки.
3
1. Невозможно получить из состава известной массы пористую керамику, например условно-эффективную со средней плотностью не более 1400 кг/м, так как поризующие газы предварительно удалены термообработкой.
2. Тепло- и механоэнергоемкий процесс приготовления массы, связанный с предварительной термообработкой и последующим дроблением термообработанных компонентов, а также формованием полуфабрикатов полусухим или экструзионными способами формования.
3
3. Высокая средняя плотность полнотелых изделий (более 1400 кг/м).
Наиболее близкий состав керамической массы для изготовления пористой керамики, обладающей высокими теплоизоляционными свойствами, приведен в книге (И.И.Мороз. Технология строительной керамики. - Киев: - 1980, с.348). Известный состав включает компоненты при следующем соотношении, мас.%:
перлитовый вспученный песок
45;
глина
45;
гипс полуводный
10;
воздухововлекающая добавка «ПО-6»
7 (сверх 100% сухой смеси);
3
3
Наряду с большими достоинствами (низкая средняя плотность 200 кг/м - 300 кг/м, соответственно низкая теплопроводность - 0,06 Вт/м°С, простая технология формования (заливка в формы), имеются следующие недостатки.
1. Низкая прочность готовых изделий: при изгибе 0,2-0,5 МПа, при сжатии 0,5-1 МПа (см. Ю.П.Горлов. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М: Высш. шк. - 1989, с.195, табл.9.2.), что лимитирует их применение в качестве эффективного, условно-эффективного и пористо-полнотелых камней с маркой соответственно M100 и для камней не ниже М 35 (ГОСТ 530-2007).
2. Низкая прочность полуфабрикатов (при сжатии 0,1 МПа), формируемых заливкой в формы, что усложняет процесс распалубливания форм и сушку, так как сушка полуфабрикатов осуществляется на поддонах изделий (см. способ изготовления в прототипе).
3. Низкий архитектурный вид - так как цвет черепка красный с наличием высолов, вследствие большого количества вводимой добавки «ПО-6» и недостающего количества полуводного гипса. Последний, как известно, выполняет не только роль поризатора, стабилизатора шликера, но и отбеливателя, переводящего красножгущийся черепок в светложгущийся.
Задача изобретения - повысить среднюю плотность и прочность до параметров эффективной и условно-эффективной керамики (класс 1,2; 1,4), а также архитектурную выразительность за счет получения светлых тонов черепка (светло-кремового, кремового) без высолов.
4
2
2
3
3
-2
3
Для реализации задачи, в составе массы для стеновой керамики, включающей глину, гипс β-CaSO·0.5HO, вспученный минеральный порошок и воздухововлекающую добавку, дополнительно вводят кислый суглинок, глину берут полукислую с содержанием AlO не менее 20 мас.%, в том числе и пиритизированную, содержащую сульфатные и сульфитные примеси (более 2% в пересчете на ион SO ), а в качестве вспученного минерального порошка взят вермикулитовый песок фракции 0-1,25 мм, в качестве воздухововлекающей добавки вводят жидкое силикатное стекло плотностью 1300 кг/м, при следующем соотношении всех компонентов, мас.%:
- суглинок
18-50;
полукислая указанная глина, в том
числе и некондиционная
пиритизированная
28-42;
полуводный гипс
20,5-37;
вермикулит вспученный фр. 0-1,25 мм
1,5-3;
жидкое силикатное стекло плотностью
1,3 г/см сверх 100% сухой смеси
0,2-0,5
Характеристика компонентов массы
1. Суглинок кислый Обидимского месторождения (Тульской области):
- умеренно-пластичный (число пластичности 11,8-12,9);
- неспекающееся, легкоплавкое глинистое сырье;
- прочность черепка из суглинка, с температурой обжига 1000°С 15-17 МПа, красножгущийся.
2
2
3
2
2
3
3
Химический состав, мас.%: SiO - 71,16-72,43; AlO+TiO - 10,08-12,15; FeO - 4,91-5,83; CaO - 1,86-2,40; MgO - 0,71-1,4; SO - 0,01-0,04; П.П.П - 7,74-9,28.
2. Полукислая легкоплавкая глина пиритизированная. (Кукуевского месторождения Тульской области)
Таблица 1
Химический состав глинистого пиритизированного сырья
Химический состав (оксиды)
Требования ОСТ 21-78-88 по химсоставу, %
Глина Кукуевская пиритизированная, %
- Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
>7
22.45
- Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+FeO
<14
5.3
- CaO+MgO
<20
3.39
- сульфат- и сульфид- содержащие примеси в пересчете на ион SO<sub>3</sub> <sup>-2</sup>
<2
3.19
- Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
<7
2.26
- SiO<sub>2</sub>
<85
53.7
- потери при прокаливании
остальное
3
2
3
3
-2
-2
Как видно из химсостава, глина Кукуевского месторождения не соответствует ОСТ 21-78-88 по содержанию сульфат- и сульфитсодержащих примесей (>2% в пересчете на ион SO ), т.е. для стеновой керамики являются некондиционной. Содержит >20% AlO, является среднепластичной. Огнеупорность 1280-1290°С, т.е. является легкоплавкой. Пирита в пересчете на ион SO  содержит (>2%), следовательно, является пиритизированной. Керамический черепок, обожженный при температуре 1000°С имеет прочность 42 МПа, в то время как у принятых суглинков прочность черепка составляет 15-17 МПа. Поэтому, такую глину добавляют к суглинкам для повышения прочности керамики.
2
3
Взамен пиритизированной глины может быть принята керамзитовая глина, содержащая не менее 20% AlO.
2
2
3
2
2
3
2
3
3. Бентонитовая полукислая глина. Высокопластичная (число пластичности 32-35), легкоплавкая. Химический состав включает мас.%: SiO - 54; AlO - 17,5 (полукислая); TiO - 0.6: FeO - 6,9; СаО - 2,6; MgO - 2,7; KO - 2.7; SO - 0,9; П.П.П - остальное.
Такая глина, вследствие высокой пластичности и низкого содержания сернистых соединений рекомендуется для теплоизоляционных изделий, т.е. предназначена для массы прототипа.
2
2
3
2
3
2
2
4. Полукислая тугоплавкая глина Лукошинского месторождения. Отвечает требованиям ТУ РСФСР-434-84. Число пластичности 15-20. Огнеупорность 1430-1570°С. Химический состав, мас.%: SiO - 61-63; AlO - 20-27; FeO - 2-3; СаО - 1,5-1,7; MgO - 0,5-0,7; NaO +KLO - 2,1-2,5; П.П.П - 7-8%.
4
2
5. Строительный полуводный гипс - β-CaSO·0.5HO, выпускается в городе Новомосковск Тульской области.
Основные свойства:
3
Марка Г4. Насыпная плотность 650 кг/м. Нормальная густота 49-50%. Начало схватывания 6 мин, конец схватывания 12 мин. Прочность при сжатии 4,2 МПа, а в сухом состоянии 11-12 МПа.
4
2
3
2
Химический состав включает, мас.%: β-CaSO·0.5HO - 89,1; CaCO - 9,1; SiO - 1-8.
6. Жидкое стекло (натриевое).
2
2
3
2
3
3
2
Химический состав включает, мас.%: SiO - 30,0; AlO - 0,06; FeO - 0,01; СаО - 0,02; SO - 0,15; NaO - 12; П.П.П - остальное.
Принято жидкое стекло с плотностью 1300 кг/м.
7. Вспученный вермикулит. Приняты частицы фракции 0-1,25 мм.
2
2
3
6
6
20
4
3
Химический состав включает: (KO)AlO·SiO(MgO)·O(OH). Насыпная плотность 180-200 кг/м. Отвечает требованиям ГОСТ 12865-67 «Вермикулит вспученный».
3
8. Вспученный перлитовый песок - принят по свойствам, идентичным вермикулитовому песку, т.е. фракции 0-1,25. Насыпная плотность 200 кг/м (для прототипа).
Таблица 2
Составы керамических масс
Компоненты масс
Номера и составы масс, мас.%
1*
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1. Суглинок кислый
50
50
45
32
30
18
15
-
2. Полукислые глины, содержащие не менее 20% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2.1. Пиритизированная Кукуевская глина
-
28
-
31
-
42
44
-
2.2. Полукислая тугоплавкая глина Лукошинского месторождения
-
-
18
-
31
-
-
-
3. Бентонитовая высокопластичная (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> - 17,5%)
28
-
-
-
-
-
45
4. Полуводный гипс β-CaSO<sub>4</sub>·0.5H<sub>2</sub>O
20,5
20,5
35,25
35
36,5
37
38
10
5. Вспученный вермикулитовый отощитель фр. 0-1,25 мм
1,5
1,5
1,75
2
2,5
3
3,0
-
6. Вспученный перлитовый песок фр. 0-1,25 мм
-
-
-
-
-
-
-
45
1
2
3
4
5
6
7
8
9
7. Воздухововлекающая добавка сверх 100% сухой смеси
7.1. Жидкое стекло с плотностью 1300 кг/м<sup>3</sup> (сверх 100%)
0,5
0,5
0,45
0,3
0,2
0,2
0,1
-
7.2. ПО-6 (сверх 100%)
-
-
-
-
-
-
-
7
Примечание: * составы №1 и №2 запредельные.
Опыты по реализации задачи
2
2
Опыт 1. Дозировали по массе 560 г (28%) (состав №2, таблица 2) пиритизированной некондиционной сухой глины, которую распустили в воде, взятой в количестве 1120 г (В/Т=2). Полученный шликер пропустили через сито 400 отв./см, чтобы отделить на сетке частицы пирита FeS фракции более 0,3 мм (см. статью Л.С.Опалейчук, Ю.В.Иванов «Применение пиритизированной глины Артемовского месторождения для производства плиток для полов». - М: Реферативная информация ВНИИЭСМ. Керамическая промышленность. Выпуск №1. - 1979. - с.14-16), а также осуществляли отделение частиц пирита при помощи переносного электромагнита.
3
max
В шликер добавили суглинки, пропущенные через зазор вальцев 1,0 мм (чтобы исключить карбонатные включения и предотвратить дефект дутик). Шликер из двух глин смешивали в течение двух минут, в процессе перемешивания в течение 1,5 мин добавляли смесь полуводного гипса 410 г (20,5%) с вермикулитом 30 г (1,5%), а также 10 г (0,5%) (сверх 100% сухой смеси) жидкого стекла плотностью 1,3 г/см. Полученный шликер в состоянии густой сметаны с водотвердым отношением В/Т=0,56 заливали в формы размером 16×4×4 см с кратковременным вибрированием (10-15 сек.) чтобы выровнять поверхность и заполнить углы формы. Через 15 минут формы распалубливали и (без поддонов) сушили при температуре 150-180°С в течение 10 ч, а затем обжигали в заводской кольцевой печи совместно с керамическим кирпичом при температуре t=1000°С.
Через сутки, образцы керамики, изготовленные из состава смеси №2 (таблица 2) испытали на показание средней плотности, прочности и водопоглащения. Цвет керамики воспринимали визуально.
Аналогичным способом изготавливали все образцы керамики из смесей №1; 3; 4; 5; 6; 7, в том числе и образцы из состава массы прототипа №8. Результаты испытания приведены в таблице 3.
Таблица 3
Свойства образцов керамики
Свойства
Ед-цы изм-ния
Номер масс, соответствующих керамических образцов и параметры свойств
1*
2
3
4
5
6
7
Прототип 8
Средняя плотность
кг/м<sup>3</sup>
1450
1400
1348
1200
1250
1190
-
298
Прочность при
- изгибе
МПа
4,2
5,6
4,82
3,6
2,8
1,9
-
0,3
- сжатии
МПа
12,3
15,1
14,2
12,1
12,8
10,4
Разрушились
0,75
Цвет
красн.
крем.
крем.
светл.-крем
светл.-крем
светл.-крем
-
красный
Наличие высолов
есть
нет
нет
нет
нет
нет
нет
есть
Примечание: * составы №1 и №7 запредельные, так как у состава массы №1 средняя плотность образцов превышает плотность условно-эффективной керамики (более 1,4 г/см<sup>3</sup>), а прочность меньше, чем у образцов состава №2 из аналогичной по количественному составу компонентов, но с применением полукислой бентонитовой глины, содержащей Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> менее 20% на поверхности красного цвета появляются высолы.
Образцы керамики из состава №7 разрушились от повышенного содержания пиритизированной глины (44 мас.% и усиленного газовыделения за счет превышения нормы полуводного гипса (более 42%)).
Анализ и выводы результатов испытания свойств образцов керамики приведены в таблице 3.
1. Плотность пористой керамики превышает плотность известной в 3,9-4,6 раз.
2. Прочность при сжатии - в 20 раз.
3. Изделия обладают повышенным архитектурным видом, так как не имеют высолов на светлом тоне поверхности (кремовый, светло-кремовый).
3
4. Образцы керамики из массы №2; 3; 5 соответствуют классу 1,4 в соответствии с ГОСТ 530-2007 и относятся к условно-эффективной керамике, причем пористо-полнотелой, а образцы из массы №4 и №6 к эффективной (класс по средней плотности 1,2), то есть средняя плотность не более 1200 кг/м.
3
Таким образом, поставленная задача получения массы для условно-эффективного полнотелого керамического кирпича (класса 1,4) с плотностью не выше 1400 кг/м, эффективной класса 1,2 с повышенной архитектурной выразительностью, маркой по прочности не ниже M100 для кирпича и не менее М35 для камней полнотелых достигнута. Физико-химическая сущность достижения поставленной цели состоит в следующем.
1. В составе массы (до обжига) роль связующего выполняет полуводный гипс, а все остальные компоненты - роль наполнителя, причем каждый из них выполняет определенную функцию в процессе сушки и обжига.
2. В процессе обжига, наоборот, роль связки выполняла глинистая составляющая, а полуводный гипс выполняет ряд следующих функций.
2
2
2
2
2
2.1. Роль поризатора, причем более эффективного, чем карбонатосодержащие добавки, так как молекулярная масса газов CO=60, а газов SO=80, то есть на одном и том же пути выхода этих газов из массы обжигаемой керамики согласно второму закону Ньютона F=ma, усилие газов SO выше, чем у газа СО. Кроме того, для выхода газов SO создаются свободные каналы за счет предварительного выделения химически связанной воды:
.
3
2
3
2
2.2. Роль плавня, за счет образования СаО и соответственно образования стеклофазы CaSiO, при t=1000°C может образовываться полевой шпат - анортит CaO·AlO·SiO, имеющий кристаллическую структуру. Таким образом, полуводный гипс с одной стороны снижает среднюю плотность поризацией, а с другой стороны - повышает прочность.
2.3. Роль отбеливателя, переводящего красножгущиеся глины в стветложгущиеся, следовательно, исключается видимость высолообразований на кремовой и светло-кремовой поверхности стеновой керамики.
Повышенное количество полуводного гипса в составе массы в 2-3 раза больше, по сравнению с составом прототипа, способствует:
3.1. увеличению прочности, сформованного заливочным способом полуфабриката, что дает возможность сушить сырец-кирпич без поддонов, причем в состоянии типа усадки;
3.2. повышению трещиностойкости при сушке, так как исключается внутреннее напряжение за счет компенсации усадки глинистой составляющей расширением гипсовой составляющей при твердении;
3.3. сокращается срок конца схватывания массы в формах и соответственно увеличивается частота оборачиваемости форм для очередной заливки шликерной массой;
4. Вспученный вермикулит в состоянии пылевидной фракции (менее 1,25 мм) выполняет роль отощающей добавки в процессе сушки, а также способствует повышению архитектурной выразительности, морозостойкости, жаросткойкости и снижению средней плотности.
5. Растворимое стекло выполняет роль воздухововлекающей составляющей, электролита и щелочесодержащего плавня, повышающего прочность.
Экономическая целесообразность в сравнении с составом массы прототипа.
1. Сокращается расход дорогостоящего наполнителя (отощителя) - вспученного вермикулита в 15 раз, причем с предусмотрением утилизации пылевидной фракции (менее 0,16 мм) из электрофильтров. Данное сокращение позволяет компенсировать больший расход в заявленном составе полуводного гипса (в прототипе 10 мас.%, в заявленном составе 20,5-37 мас.%, что в 2-3,7 раз больше).
2. Предоставляется возможность увеличения производительности сушилок, за счет исключения поддонов, и возможность сушки в состоянии штабели и также уменьшаются затраты тепла на испарение воды.
3. Обжигать изделия можно совместно с керамическим кирпичом, полученным традиционным способом формования.
4. Предоставляется возможность использования (утилизации) пиритизированных глин и пылевидной фракции вермикулита.
5. Расширяется область применения керамических изделий в строительстве, вследствие обладания керамикой самонесущей способности в ограждающих конструкциях.
2
6. Вследствие отделения ситовым способом и переносным электромагнитом пирита из шликера пиритизированной глины улучшается экологическая обстановка в цехе обжига и окружающей среде (за пределами цеха), так как предотвращается выделение газа SO в цех и атмосферу.
7. Удержанный пирит предусмотрено реализовать в производстве серной кислоты и тем самым направить на вторичное использование.
6. На основании преимуществ, указанных в п.1-7, себестоимость керамических стеновых изделий уменьшается на 20-25% по отношению к прототипу.