Зависимость прочности керамогранита от фазового состава

УДК 666.3-128

А.П. ЗУБЁХИН, д-р техн. наук, А.В. ВЕРЧЕНКО, инженер, Н.Д. ЯЦЕНКО, канд. техн. наук

Южно-Российский государственный политехнический университет

Зависимость прочности керамогранита от фазового состава

Рассмотрены результаты исследования прочностных характеристик керамического гранита с использованием глин, щелочного каолина, цеолитового туфа и габбро-диабаза в зависимости от его фазового состава. Установлено, что прочность керамики предопределяется количеством кристаллической и рентгеноаморфной фаз, способствующих образованию единого конгломерата.

Ключевые слова: керамогранит, кристаллическая фаза, стеклофаза, метакаолинит, прочность.

A.P. ZUBEKHIN, Doctor of Sciences

Dependence of Porcelain Stoneware Strength on its Phase Composition

Results of the study of strength characteristics of ceramic granite with the use of porcelain clays, alkaline kaolin, zeolite tuff and gabbro-diabase depending on its phase composition are considered. It is established that the strength of ceramics is predetermined by the amount of crystalline and X-ray amorphous phases, favouring the formation of a single conglomerate. Keywords: porcelain stoneware, crystalline phase, glass phase, metakaolinite, strength..

Как известно, свойства керамики и керамических изделий определяются фундаментальной зависимостью состав—структура—свойства [1, 2]. В технологии свойства керамики примерно одинакового состава в значительной степени зависят от структуры. Под структурой понимается как фазовый состав, так и микроструктура керамического камня в целом, а также структура отдельных фаз [2].

Керамика состоит из кристаллической, стекловидной и газовой фаз. Для многих видов керамических изделий свойства, прежде всего физико-механические, предопределяются главным образом кристаллической фазой. На прочность глиносодержащей керамики, например керамогранита, существенное влияние оказывает стеклофаза, однако мнения о ее роли противоречивы [3]. Кроме того, в зависимости от температуры обжига в рентгеноаморфной фазе глиносодержащей керамики может присутствовать метакаолинит Al2O32SiO2 — продукт дегидратации глинистых минералов, которому исследователи зачастую не придают должного значения [4—6]. В связи с этим актуально исследование зависимости прочности тонкой строительной керамики от фазового состава и структуры. Особенно это важно для таких керамических облицовочных изделий, как керамогранит, важнейшим потребительским свойством которого является механическая прочность, в первую очередь прочность при изгибе.

Для установления зависимости прочности керамо-гранита от его фазового состава и структуры при разра-

ботке ресурсосберегающей технологии выявлены оптимальные составы керамогранита на основе цеолитсо-держащих шихт [7], а также шихты с использованием габбро-диабаза. В составах шихт 0 и 1 использованы глины Дружковского месторождения ДН-2 (Украина), а также Владимировского месторождения (Ростовская обл.). В качестве базового принят состав 0, используемый для производства керамического гранита на ОАО «Стройфарфор», а в состав 1 вместо полевого шпата введен цеолитовый туф. В керамических массах 2 и 3 использована глина Ш-1 Шулеповского месторождения (Рязанская обл.). В качестве плавня в составе 2 также использовали цеолитовый туф в количестве 25%, а в составе 3 цеолитовый туф 10% и габбро-диабаз 15%. В табл. 1 приведен химический состав указанных сырьевых компонентов в пересчете на прокаленное вещество, исследуемые шихтовые составы — в табл. 2.

Подготовку керамических масс осуществляли шли-керным способом помолом в лабораторных планетарных мельницах с уралитовыми шарами. Тонину помола контролировали остатком на сите № 0063 (остаток не более 1,1 мас. %). Затем шликер высушивали и размалывали. Из полученного пресс-порошка влажностью W=6% прессовали образцы керамогранита размером 55x100x7 мм.

После сушки при 150оС образцы обжигали в муфельной печи в течение 60 мин при температуре, оС: составы 0, 1 и 2 — 1200; 3 — 1155, с изотермической выдержкой в течение 15 мин.

Таблица 1

Химический состав сырьевых материалов

Материал Массовое содержание, %

SiO2 Fe2O3 Al20s TiO2 CaO MgO Na2O K2O FeO MnO ППП

Глина ДН-2 54,25 1,52 30,11 1,15 0,74 0,78 1,74 0,42 - - 9,29

Глина Ш-1 48,71 1,53 33,95 1 0,28 0,19 - 0,69 - - 13,65

Глина ВКН-2 66,1 1,16 21,99 1,31 0,26 0,54 0,45 2,44 - - 5,95

Щелочной каолин 72,37 0,73 15,59 0,05 1,27 0,65 0,11 5,9 - - 3,33

Полевой шпат 69,03 0,07 18,54 0,39 0,89 0,05 9,92 0,33 - - 0,39

Цеолитовый туф 67,63 1,2 11,59 0,3 2,8 0,8 1,9 4,2 - 0,04 9,54

Габбро-диабаз 51,17 2,98 13,32 2,05 8,42 5,44 2,98 1 11,58 - 0,85

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 30 август 2014 Ы

Ceramic building materials

Таблица 2.

Шихтовой состав керамогранита

Компонент Содержание, мас. %

0 1 2 3

Глина ДН-2 35 35 - -

Глина ВКН-2 10 10 - -

Глина Ш-1 - 60 60

Щелочной каолин 18 18 15 15

Полевой шпат 37 - - -

Цеолитовый туф - 37 25 10

Габбро-диабаз - - - 15

Сумма, % 100 100 100 100

Послеобжиговые свойства полученного керамического гранита показаны в табл. 4.

Анализ данных табл. 4 позволяет сделать следующие выводы. Составы 0 и 1 отличаются лишь тем, что в составе 1 полевой шпат заменен цеолитовым туфом. Керамогранит состава 1 по сравнению с базовым составом 0 характеризуется высокой прочностью при изгибе, что обусловлено его повышенной усадкой и соответственно высокой плотностью. Высокая усадка предопределяется повышенным содержанием образующейся жидкой фазы на стадии спекания.

Составы шихт 2 и 3 включают глинистый компонент — огнеупорную глину Ш-1, а также щелочной каолин

(как и в других составах). В качестве плавней содержат цеолитовый туф и габбро-диабаз. Показатели водопо-глощения и усадки этих составов соответствуют требованиям к высококачественному керамограниту. Прочность при изгибе данных образцов значительно выше, чем требования технических условий для этих изделий.

Полученные результаты подтверждают реальную возможность использования разработанных составов для производства высококачественного керамогранита.

Для установления взаимосвязи свойств керамогранита с его фазовым составом и структурой были проведены рентгенофазовые и петрографические исследования с помощью метода оптической микроскопии. Результаты РФА позволили установить следующее: во всех образцах керамогранита идентифицированы кристаллические фазы Р-кварц, Р-кристобалит, муллит и фиксируется галло, характеризующее наличие рентге-ноаморфной фазы. Количество этих фаз, как и следовало ожидать, различное (табл. 5).

Метакаолинит, являясь псевдокристаллическим веществом [8], не способствует повышению прочности керамического камня. Это убедительно подтверждается результатами исследования зависимости прочности при изгибе керамогранита от фазового состава методом оптической микроскопии (табл. 5).

Как видно из приведенных данных, структура образцов керамогранита существенно отличается по количеству кристаллической и рентгеноаморфной фазы. Анализ зависимости предела прочности при изгибе свидетельствует о том, что повышенное содержание

Таблица 3

Расчетный химический состав шихт керамического гранита

Код состава шихты Массовое содержание, %

SiO2 Fe2O3 Ah0s TiO2 CaO MgO K2O Na2O FeO MnO

0 67,13 0,88 23,77 0,74 0,88 0,5 1,67 4,44 - -

1 68,21 1,37 23,43 0,68 1,52 0,57 3,36 0,84 - 0,02

2 63,98 1,51 29,02 0,79 1,16 0,43 2,56 0,54 - 0,01

3 60,38 1,76 29,23 1,05 1,97 1,12 2,03 0,69 1,75 0,01

Таблица 4

Послеобжиговые свойства исследуемых образцов

Свойство керамического камня Код состава

0 1 2 3

Механическая прочность при изгибе, МПа 51,9 68,97 50,2 56,42

Водопоглощение, % 0,18 0,15 0,04 0,12

Усадка, % 7,12 11,98 10,89 9,05

Истинная плотность, г/см3 2,53 2,58 2,45 2,49

Цвет Светло-серый Светло-серый Светло-серый Светло-коричневый

Таблица 5

Фазовый состав образцов керамогранита

Код шихты Содержание, мас. %

Кристаллическая фаза Рентгеноаморфная фаза

Р-кварц Р-кристобалит Муллит Гематит Z Стеклофаза Метакаолинит

0 8 8 4 1 21 55 24

1 7 7 4 1,5 19,5 66 14,5

2 4 2 5 1,5 12,5 57,5 30

3 3 2 5 3 13 64 23

Ы

научно-технический и производственный журнал

август 2014 31

кристаллической фазы в образцах керамогранита 0 и 1 обусловливает их повышенную прочность. При этом структура керамогранита характеризуется повышенным количеством стеклофазы и минимальным содержанием метакаолинита. Последнее свидетельствует о незавершенности процесса фазообразования глинистого остатка.

Список литературы

1. Химическая технология керамики. Под ред. И.Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2012. 496 с.

2. Зубехин А.П., Яценко Н.Д. Теоретические основы инновационных технологий в строительной керамике // Строительные материалы. 2014. №1—2. С. 89-92.

3. Салахов А.М., Салахова Р.А. Керамика вокруг нас. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2008. 160 с.

4. Baucia J.A., Koshimizu Jr.L., Giberton C., Morelli M.R. Estudo de fundentes alternativos para uso em formulaçoes de porcelanato // Cerámica. 2010. № 56, pp. 262-272.

5. Рыщенко М.И., Федоренко Е.Ю., Чиркина М.А. и др. Микроструктура и свойства низкотемпературного фарфора // Стекло и керамика. 2009. № 11. С. 26-29.

6. Боркоев Б.М. Изучение структуры и свойств фарфора низкотемпературного обжига // Международный журнал экспериментального образования. 2012. № 6. С. 98-100.

7. Зубехин А.П., Верченко А.В., Галенко А.А. Получение керамического гранита на основе цео-литсодержащих шихт // Строительные материалы. 2014. № 4. С. 52-54.

8. Брыков А.С. Химия силикатных и кремнеземсодер-жащих вяжущих материалов. СПб.: СПбГТИ(ТУ), 2011. 147 с.

В образцах керамогранита 2 и 3, составы масс которых существенно отличаются от образцов 0 и 1, количество кристаллической фазы значительно ниже, чем в керамогранитах составов 0 и 1. Количество же стекло-фазы находится практически на том же уровне при повышенном содержании метакаолинита. Эти данные коррелируют с показателями прочности керамогранита.

References

1. Khimicheskaya tekhnologiya keramiki [Chemical technology of ceramics]. Edited by Guzman I.Ya. Moscow: «Stroimaterialy». 20l2. 496 p.

2. Zubekhin A.P., Yatsenko N.D. Theoretical bases of innovative technologies of construction ceramics. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 1-2, pp. 89-92. (In Russian).

3. Salakhov A.M., Salakhova R.A. Keramika vokrug nas [Ceramic around us]. Moscow: «Stroimaterialy». 2008. 160 p.

4. Baucia J.A., Koshimizu Jr.L., Giberton C., Morelli M.R. Estudo de fundentes alternativos para uso em formulagöes de porcelanato. Cerámica. 2010. No. 56, pp. 262-272.

5. Ryshchenko M.I., Fedorenko E.Yu., Chirkina M.A. etc. Microstructure and properties of low-temperature porcelain. Steklo i keramika. 2009. No. 11, pp. 26-29. (In Russian).

6. Borkoev B.M. Study of the structure and properties of low-temperature firing porcelain. Mezhdunarodnyi zhur-nal eksperimental'nogo obrazovaniya. 2012. No. 6, pp. 98-100. (In Russian).

7. Zubekhin A.P., Verchenko A.V., Galenko A.A. Manufacture of ceramic granite on the basis of zeolite-containing batches. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 4, pp. 52-54. (In Russian).

8. Brykov A.S. Khimiya silikatnykh i kremnezemsoder-zhashchikh vyazhushchikh materialov [Chemistry silicate binders and siliceous materials]. Saint-Petersburg: SPbGTI(TU). 2011. 147 p.

ГОБОВУДОВАНИЕ «ИНТА-CT РОЙ»

ШЛЯ1ПР01У1ЫШЛЕНН0СТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

4] О0О«ТД«ИНТА-СТРОИ», 644113, Омск. ул. 1-я Путевая. 100

Тел.: [38121 35 65 44, 35 Б5 45 E-mail: info@intB.ru. Http: www.inta.ru

габариты [дл„ шир., вью.), мм — 31 26, 1883,1020: масса, иг - 2400-

Ти лора э мерный ряд установок «Каскад» обеспечивает производительность, т/ч - 1.5:2; 3; 4:6:10:1 В; 25:35:50:70

Назначение:

* Промышленная подготовка сырья для пластического формования

и полусухого прессования кирпича.

• «Каскад-10» может использоваться в других отраслях, где необходимо тщательное смешение компонентов с высокой степенью гомогенизации.

Преимущества:

- глубокая переработка сырья:

- высокая степень гомогенизации;

- улучшение характеристик сырья;

- гранулирование;

- камневыделение;

- производство цветного кирпиче;

- возможность использования отходов [зола ТЭЦ, граншлак и пр.]

¥мы ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ ; *ТжТ

jr- —-- =>: I Ml I I «А

32

научно-технический и производственный журнал

август 2014