СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПОРИЗОВАННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО КИРПИЧА
METHOD OF MAKING POROUS BUILDING BRICKS

Изобретение относится к области создания легких пористых материалов и изделий из них и может быть использовано в промышленности строительных материалов, в частности при производстве поризованного керамического кирпича и поризованного блока.
Основным компонентом смеси для производства керамического кирпича является глина или суглинок. Кроме того, используются также различные добавки, влияющие на технологические режимы изготовления кирпича и его качественные характеристики.
В настоящее время применяют в основном два способа производства керамического кирпича: пластическое формование и полусухое прессование. Первый базируется на использовании пластической исходной массы влажностью около 18-20%, требует четкого соблюдения технологии переработки глины и длительной сушки изделий - от 3 дней до нескольких недель. Второй метод предусматривает подсушивание глины в специальном барабане в течение 10-15 минут, затем ее измельчают в порошок и формуют. Полученный таким способом кирпич имеет небольшую влажность (около 7-8%), вследствие чего не требует сушки и после формовки сразу подается в печь обжига.
В последнее время при переработке нормативных документов, регламентирующих различные аспекты строительства в РФ, большое значение приобрели вопросы энергопотребления и энергосбережения при устройстве инженерных систем зданий. В частности, данной проблеме посвящены изменения №3 и №4 к СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника. Нормы проектирования», которые устанавливают существенно более высокие требования к уровню теплозащиты наружных ограждений, чем это было ранее. При применении традиционных материалов увеличение термического сопротивления приводит к увеличению материалоемкости.
Для керамического кирпича важную роль играет пустотность, поэтому все изделия подразделяют на полнотелые и пустотелые (эффективные), имеющие сквозные (или несквозные) круглые или прямоугольные (щелевидные) отверстия. Чем больше в кирпиче пустот, а их количество ГОСТом не ограничено, тем лучше он сберегает тепло.
3
3
Одним из вариантов решения данной проблемы является разработка и промышленный выпуск эффективных керамических стеновых материалов, из которых можно возводить однослойные стены, отвечающие современным требованиям по теплозащите зданий. Выполненные в НИИСФ комплексные исследования теплозащитных качеств и влажностного режима наружных стен кирпичных зданий подтвердили, что решить проблему повышения их теплоизоляции возможно созданием и применением нового поколения эффективных поризованных керамических стеновых материалов. Сверхэффективные поризованные изделия плотностью ниже 900-950 кг/м(обычно она составляет 1200-1600 кг/м) сегодня на территории России производят компании «Победа/Кнауф» и «КЕРАМИКА» (г.Санкт-Петербург», а также Норский керамический завод (г.Ярославль).
Известны способы производства керамического строительного кирпича по следующей схеме: (см. Золотарский А.З., Шейман Е.Ш. Производство керамического кирпича. М.: Высш. Шк. 1989. 264 с.).
- Подготавливают компоненты сырьевой массы, пригодной для получения кирпича сырца.
- Формуют кирпич-сырец пластическим мягким и жестким формованием сырьевой массы влажностью 18-20% и 14-16% соответственно с применением экструдеров и других механизмов различного типа; полусухим и сухим прессованием сырьевой массы влажностью 7-10% и 2-6% соответственно на прессах с удельным давлением прессования от 200 кгс/кв.см до 400 кгс/кв.см.
- В сушильных камерах кирпич-сырец сушат, в зависимости от принятого способа производства, при температуре от 30°С до 250°С и до остаточной влажности 1-2%.
- Сырец после сушки обжигают в печах различных конструкций при температурах от 850°С до 1000°С.
- Обожженный кирпич охлаждают до температуры окружающей среды.
Однако такие способы не позволяют получить поризованный керамический кирпич.
Известны способы получения теплоизоляционных материалов на основе термохимического вспучивания за счет использования выгорающих добавок (см. патент РФ 2284307, кл. 04В 33/02; патент РФ 2082692, кл. 04В 33/02), диссоциирующих добавок (см. патент РФ 2047583, кл. 04В 35/14) или удаления гидратной воды (см. патент РФ 2323191, кл. 04В 28/26, патент РФ 2264364, кл. 04В 33/02). Такие сырьевые смеси позволяют получить поризованный кирпич. Однако требуют значительного количества энергии для удаления воды в процессе сушки и обжига и требуют большого количества дорогих (из-за транспортных расходов) добавок. Изделия, изготовленные из указанной массы, обладают повышенной чувствительностью материала к усадке, приводящей к появлению трещин на полуфабрикате, которые приводят к снижению механической прочности, снижению поризованности изделия и снижению его морозостойкости.
Известные способы производства керамического кирпича обладают существенными недостатками, которые, в основном, сводятся к следующему:
- использование или дорогостоящего и, как правило, дефицитного сырья, или дешевого сырья, но с большими транспортными расходами по его доставке на кирпичный завод.
- большим энергетическим затратам на сушку и обжиг сырья.
- невозможность регулирования качественных характеристик получаемого изделия.
Известна сырьевая смесь (патент РФ2107050, кл. 04В 33/00, принятый в качестве прототипа), включающая глину и волокнистую гигроскопическую добавку органического происхождения с влажностью не менее минимального значения точки насыщения волокон добавки, при содержании добавки в общей массе не менее 28,6% и влажностью не менее 23%. Такая смесь обеспечивает равномерную усадку материала во время сушки, так как волокнистые добавки армируют глинистые частицы, а при выгорании во время обжига обеспечивают поризованность изделий.
Однако такая смесь требует значительных затрат энергии на удаление воды при сушке из-за высокой влажности исходного материала. Также большая массовая доля гигроскопических добавок органического происхождения может потребовать значительных дополнительных затрат на транспортные расходы по доставке этих добавок на кирпичный завод, так как источник этих органических добавок, как правило, находится гораздо дальше от завода, чем глиняный карьер. Причем, из-за высокой влажности этих добавок транспортируется в основном вода, которая при последующей сушке испаряется.
Цель настоящего изобретения состоит:
- в сокращении энергетических затрат на сушку и обжиг;
- в использовании местного сырья низкой влажности в качестве выгорающих добавок с относительно небольшой массовой долей в сырьевой смеси. В сокращении транспортных расходов по доставке на завод выгорающих добавок.
- в получении заданных качественных характеристик продукции путем регулирования (модифицирования) качественных характеристик выгорающих добавок.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе производства поризованного керамического строительного кирпича, включающем увлажнение глиняного сырья, его измельчение, введение выгорающих добавок, формование, сушку и обжиг в интервале температур 980-1050°С, при этом в качестве выгорающих добавок используют модифицированный фрезерный торф, который получают путем жесткого экструзионного формования гранул из увлажненных композиционных (по меньшей мере, двухкомпонентных) смесей и их упрочнения в процессе сушки на месте добычи или путем предварительного уплотнения фрезерного торфа и последующего его пиролиза, а введение выгорающих добавок в глиняное сырье производят непосредственно перед формованием.
Торф представляет собой сложную полидисперсную многокомпонентную неоднородную полуколлоидно-высокомолекулярную систему, состоящую обычно из трех фаз - твердой, жидкой и газообразной. Размеры отдельных частиц твердой фазы торфа или его скелета весьма разнообразны и изменяются от нескольких миллиметров до долей микрометра. На границе раздела между отдельными фазами действуют поверхностные силы, обуславливающие в торфе существование поверхностной энергии и ряда особых свойств, присущих дисперсным системам. Уникальность торфа как природного образования состоит в том, что он, благодаря содержанию большого разнообразия органических и неорганических компонентов, является универсальным структурообразователем. Определяющее значение в этом принадлежит содержащимся в торфе гуминовым веществам. Установлено, что ионообменная способность торфа изменяется в пределах от 1000 до 250 мг-экв/100 г сухого вещества, 65-70% объемной емкости приходится на долю гуминовых веществ, 20-30% - на долю углеводного комплекса и 5-10% на долю негидролизуемого остатка - лигнина.
Таким образом, торф и глинистые материалы по своим свойствам объединяются высокой дисперсностью и гидрофильностью и способности к сорбции и ионному обмену. Высокая чувствительность структуры торфа к ионообменным процессам оказывает возможность управления и обеспечения оптимальных условий структурообразования при добавлении к глинистым системам в процессе сушки и обжига керамического образца.
Важно отметить, что концентрацию дисперсной фазы в дисперсной системе, при которой происходит качественное изменение свойств системы, называют критической концентрацией структурообразования. При достижении критической концентрации дисперсной фазы в дисперсной системе самопроизвольно возникает пространственная структура из взаимодействующих между собой частиц. Взаимодействие частиц через тонкую прослойку жидкой фазы приводит к формированию коагуляционных контактов. После разрушения эти контакты обратимо восстанавливаются, и это свойство называется «тиксотропия». Именно поэтому производят увлажнение глиняного сырья и его перемешивание - разрушают коагуляционные контакты. И именно поэтому выгорающие добавки, по известным техническим решениям, тоже имеют высокую влажность - для уменьшения концентрации дисперсной фазы глиняного сырья и предотвращения структурообразования до момента формования.
В предложенном способе выгорающие добавки могут иметь низкую влажность, поскольку имеют форму гранул с прочной оболочкой и значительно медленнее поглощают влагу из глиняного сырья, не увеличивая концентрацию дисперсной фазы. Кроме того, выгорающие добавки вводятся в глиняное сырье непосредственно перед формованием с минимальным временем на поглощение влаги выгорающими добавками из глиняного сырья. После формования глиняного сырья выгорающие добавки, равномерно распределенные по объему кирпича сырца, постепенно поглощают влагу, ускоряют при этом структурообразование и коагуляционные процессы в глиняном сырье, а во время сушки способствуют более равномерной сушке во всем объеме кирпича и, следовательно, уменьшению возникающих при сушке напряжений, что ведет к повышению качества готовой продукции.
Одним из вариантов модифицирования гранул торфа является создание на гранулах гидрофобной оболочки. Такая оболочка увеличивает время нахождения сухих гранул во влажном глиняном сырье. А в процессе сушки кирпича сырца и его обжига приводит к уменьшению скорости поглощения влаги торфом, равномерно распределенном по объему кирпича сырца и более равномерной сушке без возникновения в кирпиче внутренних напряжений.
Примеры производства керамического кирпича предлагаемым способом и результаты проделанной работы.
Эксперименты осуществляли с применением лабораторного оборудования и промышленных агрегатов - формовочных аппаратов, сушилок и печей обжига.
Глинистым сырьем для выполнения исследовательских работ явилось сырье, предоставленное Ревдинским кирпичным заводом (Свердловская обл.) и которое может быть квалифицировано как «тощая» и «жирная» глина. В качестве выгорающих добавок были использованы торф фрезерный переходного и низинного типов, торф модифицированный; отсевы угольного кокса.
Широкий выбор выгорающих добавок был обусловлен с одной стороны сопоставимостью полученных результатов, а с другой - для выяснения особенностей торфяных выгорающих добавок.
На начальном этапе определялись влажность и насыпная плотность используемых материалов для получения поризованной керамики (таблица 1).
Таблица 1.
Исходные характеристики сырья
Сырье
Влажность, %
Насыпная плотность, кг/м<sup>3</sup>
1. Глина 1 (тощая)
10,2
1500
2. Глина 2 (жирная)
9,5
1350
4. Отсев угольного кокса
~1
750
8. Торф модифицированный
-
500
Вышеперечисленные компоненты смешивались с выбранным глинистым сырьем в определенных соотношениях. Получаемая концентрация выгорающей добавки в композиционной глинистой смеси устанавливалась по соотношению:
п
вд
гл
вд
С=100%·m/(m+m),
п
где С - концентрация выгорающей добавки в глинистой смеси, %;
вд
m - масса сухого вещества выгорающей добавки, кг;
гл
m - масса сухого вещества глины;
В результате были получены композиционные глинистые смеси с концентрацией выгорающих добавок в интервале от 10 до 35%. Пластификация смеси осуществлялась добавлением определенного количества воды. При добавлении воды смесь тщательно перемешивалась.
Формирование образцов из приготовленной пластифицированоной смеси осуществлялось двумя способами.
2
При первом способе определенный объем подготовленной смеси помещался в пресс-форму и формирование образца проводилось на гидравлическом лабораторном прессе при давлении 60-80 кгс/см.
2
При втором способе образцы формировались экструзией. В этом случае требуемое давление 50-60 кгс/см создавалось шнеком лабораторной установки при продавливании (формовании) композиционной глинистой пластичной смеси через насадку мундштука.
Приготовленные композиционные глинистые образцы, в зависимости от состава смеси, имели влажность от 19 до 30%.
Сушка образцов осуществлялась при температуре 25-30°С в комнатных условиях. Воздушная линейная усадка определялась следующим образом:
в
1
2
1
L=100·(d-d)/d,
в
где L - линейная воздушная усадка, %;
1
d - диаметр образца в начале сушки, мм;
2
d - диаметр образца в конце сушки, мм;
Обжиг высушенных образцов производился в лабораторной муфельной печи с размером камеры 200×100×300 мм при температуре 800-1000°С. При этом при подъеме температуры до 200°С начинают выделяться газообразные продукты горения. Этот процесс длится 15-20 минут в зависимости от количества выгорающей добавки в образце. Обжиг заканчивается при достижении образцами красно-белого цвета. Огневая усадка определялась по формуле:
o
2
3
2
L=100·(d-d)/d,
в
где L - линейная воздушная усадка, %;
2
d - диаметр образца в начале обжига, мм;
3
d - диаметр образца в конце обжига, мм;
Полная линейная усадка поризованных керамических образцов, представляющая собой изменение линейных размеров образца в результате сушки и обжига (таблица 2) определялась по формуле:
п
в
о
L=L+L,
п
где L - полная линейная усадка поризованных керамических образцов, %
Таблица 2.
Полная усадка поризованных керамических образцов
Вид поризующей добавки
Концентрация поризующей добавки в образце, %
Начальная влажность образца, %
Полная линейная усадка, %
*Торф модифицированный
12,6
24,4
3,3
*Торф модифицированный
20,4
24,4
3,0
*Торф модифицированный
24,0
24,4
2,3
*Торф модифицированный
27,5
23,0
2,5
*Торф модифицированный
14,6- 5,3
19,5-20,2
3,6
*Торф модифицированный
18,3-21,0
19,2
4,0
*Торф модифицированный
27,0
22,2
4,6
*Торф модифицированный
32,0
21,2
3,3
*Угольный кокс
33,0
21,3
1,6
**Торф фрезерный низинный
12,7
25,7
7,5
22,6
26,2
9,2
30,4
26,6
10,0
Примечание
*прессование на гидравлическом прессе
***прессование экструзией на лабораторной шнековой установке.
После охлаждения муфельной печи образцы поризованной керамики извлекались и с ними производились контрольные измерения качественных показателей: объемная плотность, прочность на сжатие, водопоглащаемость.
Прочность поризованных керамических образцов на сжатие определялась по ГОСТ 8905-82. Водопоглащаемость образцов определялась по ГОСТ 7025-78 в течение 2 часов.
3
Исследование влияния концентраций выгорающей добавки на плотность поризованной керамики показало, что керамику с плотностью 800-1000 кг/мможно получить при концентрации выгорающей добавки не менее 30% в виде модифицированного торфа. (таблица 3).
Таблица 3.
Плотность поризованных керамических образцов с различной концентрацией выгорающей добавки.
Характеристика образца
Концентрация поризующей добавки, %
Плотность образца, кг/м<sup>3</sup>
Глина (1) + торф модифицированный
12,5
1390
Глина (1) + каменноугольный кокс
13
1440
Глина (1) + каменноугольный кокс
33
1120
Глина (1)
1720
Глина (1) + торф модифицированный
12,5
1350
Глина (1) + торф модифицированный
20,4
1240
Глина (1) + торф модифицированный
24,2
1100
Глина (1) + торф модифицированный
27
1030
Глина (1) + торф модифицированный
13
1480
Глина (1) + торф модифицированный
15
1390
Глина (2) + торф модифицированный
21
1140
Глина (2)
1800
Глина (2) + торф модифицированный
15,5
1210
Глина (2) + торф модифицированный
21
1060
Глина (2) + торф модифицированный
27
950
Глина (2) + торф модифицированный
32
850
Примечание: Глина 1 - тощая глина; Глина 2 - жирная глина
На плотность поризованной керамики влияет качество глинистого сырья. Так плотность поризованных керамических образцов из жирной (пластичной) глины при прочих равных условиях была ниже на 8-12% в зависимости от концентрации выгорающей добавки.
3
Следует также отметить, что поризованные кеамические образцы с плотностью 850-950 г/см были получены только с использованием жирной глины.
3
Таким образом экспериментально установлена возможность использования выгорающей добавки на основе модифицированного торфа с целью получения поризованной керамики с плотностью 850-1000 кг/м.
Эффективность поризации керамических образцов за счет введения выгорающих добавок на основе торфа можно оценить коэффициентом поризации, численно равного отношению изменения плотности керамического образца при поризации к плотности не поризованной керамики, выражаемого в %. Анализ экспериментальных данных показал, что между коэффициентом поризации и коэффициентом выгорающей добавки, в рассмариваемых пределах, имеет место линейная зависимость.
Влияние выгорающей добавки на прочность.
Для испытания поризованных образцов на сжатие применяли гидравлический пресс. Для соединения и выравнивания поверхности образцов применяли цементный раствор с водоцементным отношением 0,34-0,36. образцы после изготовления выдерживали не менее трех суток.
В результате экспериментальных исследований прочности поризованных керамических образцов установлено, что поризация керамических образцов снижает их прочость на сжатие (таблица 4).
Таблица 4.
Прочность поризованных керамических образцов
Характеристика образца
Концентрация поризующей добавки, %
Плотность образца, кг/м<sup>3</sup>
Прочность образца на сжатие, кг/см<sup>2</sup>
Глина (1) + торф модифицированный
12,5
1390
-
Глина (1) + торф модифицированный
20
1170
-
Глина (1) + каменноугольный кокс
13
1440
48
Глина (1) + каменноугольный кокс
33
1120
8
Глина (1)
1720
154
Глина(1) + торф модифицированный
12,5
1350
65
Глина(1) + торф модифицированный
20,4
1240
48
Глина(1) + торф модифицированный
24,2
1100
40
Глина (1) + торф модифицированный
27
1030
24
Глина (1) + торф модифицированный
13
1480
68
Глина (1) + торф модифицированный
15
1390
44
Глина (2) + торф модифицированный
21
1140
32
Глина (2)
1800
152
Глина (2) + торф модифицированный
15,5
1210
40
Глина (2) + торф модифицированный
21
1060
28
Глина (2) + торф модифицированный
27
950
14
Глина (2) + торф модифицированный
32
850
9
3
2
Прочность поризованных образцов с объемной плотностью 850-950 кг/мсоставляет 9-14 кг/см.
Водопоглощение поризованных керамических образцов.
Численно водопоглощеие определяли как отношение поглощенной воды к начальной массе поризованного керамического образца.
Величину водпоглощения определяли с учетом кинетики процесса за 0,25; 0,75; 1; 1,5 и 2 часа пребывания образцов в воде.
В результате исследований водопоглощения поризованных керамических образцов установлено, что их водопогощаемость зависит от плотности и концентрации выгорающей добавки (таблица 5).
Таблица 5.
Водопогощаемость керамических образцов
Характеристика поризованного образца
Концентрация поризующей добавки, %
Плотность образца, г/см<sup>3</sup>
Водопоглощаемость образцов (%) в зависимости от времени водопоглощения (ч)
0,25
0,75
1
1,5
2
1. Глина (2) + торф модифицированный (обработан акриловой грунтовкой)
32
850
2,5
3,1
4,3
4,3
4,3
2. Глина (2) + торф модифицированный
27
950
50,3
50,8
50,8
50,8
50,8
3. Глина (2) + торф модифицированный
21
1060
43,3
44,7
45,2
45,7
45,7
4. Глина (2) + торф модифицированный
15,3
1210
36,5
37,2
37,2
37,2
37,2
5. Глина (2) + торф модифицированный
21
1140
36,4
37,6
37,6
38,3
38,3
6. Глина (2) + торф модифицированный
15
1390
25
25,4
25,7
26,1
26,1
7. Глина (2) + торф фрезерный низинный
31
1230
35,6
36,2
36,5
36,5
36,5
8. Глина (2) + торф модифицированный
12
1570
23
23,4
23,7
23,7
23,7
Рассмотрение зависимости водопоглощения от плотности поризованных образцов показало, что она имеет линейный характер. С уменьшением плотности образцов поризованной керамики величина их водопоглощения растет. Линейный характер имеет также зависимость водопоглощения образцов от концентрации выгорающих добавок. Изучение кинетики поглощения воды поризованными керамическими образцами показало, что заполнение порового пространства происходит в течение 5-10 минут.
На основании проведенных исследований и анализа экспериментальных данных по поризации керамики выгорающими добавками из торфа и продуктов его переработки установлено, что для поризации могут быть использованы все виды торфа. При этом эффективность использования торфа для поризации керамических материалов будет определяться его качественной характеристикой и степенью модифицирования.
Так при одной и той же концентрации выгорающей добавки на основе торфа наименьшая плотность поризованной керамики будет с применением модифицированного торфа, затем с применением торфа фрезерного верхового и переходного типа, имеющих наименьшую конституционную зольность, и, наконец с применением фрезерного торфа низинного типа.
На основе результатов комплексных исследований взаимодействия торфа и глины при получении поризованной керамики, теоретического анализа физико-технических и водно-физических свойств торфяных систем, закономерностей их структурообразования в процессе формования и сушки и обобщения последних достижений в области физико-химической механики торфа предложен технологический процесс модификации дисперсных материалов с целью получения заданных качественных показателей поризованного материала.