СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕНОВЫХ ИЗДЕЛИЙ
METHOD TO MAKE POROUS WALL CERAMICS

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано для производства эффективных керамических кирпичей, камней и блоков, в особенности пористо-пустотелых.
Известен способ изготовления стеновых керамических материалов [Sedliacek Z. Moznostivysokol ahcenytoholv SST, n.p.v. Zavoge Martin, Ahlarsky spravodaj. - 1988], в котором, с целью снижения средней плотности и теплопроводности в качестве выгорающей и отощающей добавки, вводят древесные опилки, являющиеся вторичными продуктами деревообрабатывающих предприятий.
3
3
Недостатком является то, что при увеличении количества опилок в шихте происходит резкое снижение формуемости сырца и прочности пористого черепка, что не позволяет получить черепок с плотностью менее 1300 кг/м и пористо-пустотелый кирпич (камень, блок) с кажущейся плотностью менее 1000 кг/м.
3
Известен способ изготовления керамических изделий [патент №2082692, опубл. 27.06.97, бюл. №18], в котором с целью снижения средней плотности черепка до 1300 кг/м предлагают вводить в составы шихт на основе малопластичного глинистого сырья (число пластичности равно 7) большое количество смеси выгорающих добавок, состоящих из древесных опилок и активного ила до 50% в пересчете на сухое вещество по отношению к глинистому сырью. Здесь введение активного ила способствует повышению пластичности шихты, что очень важно для малопластичных глин, так как введение древесных опилок, особенно в больших количествах приводит практически к линейному снижению пластичности и к снижению, или полному исключению формуемости кирпича.
Недостатком этого способа является большое количество вводимого ила (до 50% по массе) от расхода глины. Добыча ила со дна озер или рек связана со значительными затратами на его разработку, транспортировку, трудоемкостью его добычи и последующей сушки. Эта работа, связанная в условиях РФ с сезонностью, потребует дополнительных значительных площадей на кирпичном заводе для организации хранения предварительно добытого ила на годовую мощность кирпичного завода в специальных запасниках ила и значительных энергозатрат на сушку. По этой причине в керамической промышленности использование ила не нашло широкого применения и практически этот способ реализован, в основном, только в лабораторных условиях. Кроме того, ил не однороден по составу и имеется не во всех регионах страны.
Аналогом изобретения является способ изготовления шихты для производства керамических изделий [Куликов О.Л. Способ увеличения прочности пористого керамического кирпича // Строительные материалы, 1995, №11, с.18-19], в котором с целью снижения средней плотности и теплопроводности кирпича в качестве выгорающей добавки используют древесные опилки, которые предварительно с целью повышения прочности черепка подвергают обработке натрийсодержащей добавкой.
3
3
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет получать черепок с плотностью менее 1200 кг/м и пористо-пустотелые керамические изделия с кажущейся плотностью менее 900 кг/м на средне-, умеренно- и малопластичных кирпичных глинах, так как при введении большого количества выгорающих добавок происходит снижение пластичности шихты и невозможно сформовать из такой смеси высокопустотный кирпич-сырец по причине низкой пластической прочности. Поэтому изделия имеют теплопроводность более 0,22 Вт/(м °С). Кроме того, в этом способе не установлены граничные значения дозировок выгорающих добавок (древесных опилок) в зависимости от вида используемой глины. Для разной глины (средне-, умеренно- и малопластичной глины) существуют свои верхние уровни дозировок добавок, выше которой сформировать изделие (кирпич) невозможно ввиду полной потери формуемости шихты.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления керамических стеновых изделий, включающий смешение шихты, содержащей средне-, умеренно- или малопластичную кирпичную глину, натрийсодержащую добавку в виде 10%-ного водного раствора подмыльного щелока (жидкий побочный продукт мыловаренного производства) в количестве 1,3-1,7 мас.% т массы глины в перерасчете на сухое вещество, обработанную этой натрийсодержащей добавкой, выгорающую добавку в виде шелухи гречихи в количестве до 20-56% объема шихты, которую для среднепластичной глины вводят до 55-56% объема шихты, для умереннопластичной глины - до 40-43%, а малопластичной - до 20-22% шелухи гречихи, пластическое формование, сушку и обжиг (патент РФ №2240294, опубл. 20.11.04, Бюл. №32).
Недостатком прототипа является то, что при использовании натрийсодержащей добавки в виде подмыльного щелока, в процессе сушки происходит частичная миграция электролита на поверхность образцов с образованием высолов, которые после обжига остаются на поверхности кирпича, ухудшая эстетические свойства, как самого кирпича, так и кирпичной стены, выложенной из него. Кроме того, в процессе обжига из-за этого происходит неравномерное спекание кирпича по объему. Как следствие этого - большой разброс по прочности у кирпичей и снижение морозостойкости до марки F25. Наличие таких высолов потребует дополнительных затрат и средств для очистки фасада здания из кирпича. Кроме того, в составе подмыльного щелока имеется хлористый натрий (NaCl), который при сушке и обжиге выделяет агрессивные ионы хлора, вызывающие химическую газовую коррозию металлических конструкций технологического оборудования. Это связано с тем, что ион хлора является энергичным ускорителем, который разрушает защитные пленки на металлах. Известно, что любой металл (кроме платины и ее аналогов), отбирая у ионов хлора лишние электроны, быстро корродирует и разрушается. Значительным недостатком подмыльного щелока является также то, что он является водным раствором, который в зимнее время при отрицательных температурах может промерзать и поэтому требует специального автотранспортного оборудования, снабженного емкостями с подогревом.
Кроме того, в прототипе в качестве выгорающей добавки используется шелуха гречихи, которая в виде отходов сельхозпродукции скапливается в местах их утилизации в небольших количествах, так как эта культура произрастает не везде. Поэтому при большой производительности кирпичного завода этой выгорающей добавки недостаточно для обеспечения бесперебойной работы технологической линии приготовления выгорающей добавки в виде шелухи гречихи. При этом, если скопления этих отходов расположены далеко от кирпичного завода, то транспортировка их при малой средней плотности в ж/д вагонах или в а/фурах на завод потребует значительных затрат. Это повлияет на повышение стоимости добавки и себестоимости изделий. Следовательно, необходимо расширить номенклатуру выгорающих добавок, используя для этих целей другие традиционные выгорающие добавки.
3
Изобретение направлено на создание возможности получения на основе средне-, умеренно- и малопластичных кирпичных глин пористо-пустотелых кирпичей, камней, а также крупноформатных пористо-пустотелых камней и блоков с плотностью от 750 до 950 кг/м при марочности по прочности от 75 до 150 и теплопроводности от 0,138 до 0,185 Вт/(м °С).
Результат достигается тем, что в способе изготовления пористых керамических стеновых изделий, включающем смешение шихты, содержащей кирпичную средне-, умеренно- или малопластичную глину, натрийсодержащую добавку, шелуху гречихи в количестве до 20-56% объема шихты, вводимой для среднепластичной глины до 55-56%
объема шихты, для умереннопластичной глины - до 40-43%, а малопластичной - до 20-22%, пластическое формование, сушку и обжиг, в качестве натрийсодержащей добавки вводят перлитовый песок марки М75 в количестве 5-10% от объема глины и дополнительно в качестве упрочняющей добавки алюминийсодержащую добавку (далее АСД) в количестве 0,5-3% сверх 100% объема шихты.
Результат достигается тем, что в способе изготовления пористых керамических стеновых изделий, включающем смешение шихты, содержащей кирпичную средне-, умеренно- или малопластичную глину, выгорающую добавку, натрийсодержащую добавку, в качестве выгорающей добавки вводят древесную муку фракции 560 мкм в количестве 15-50% объема шихты, вводимой для среднепластичной глины до 45-50% объема шихты, для умереннопластичной - до 35-40%, а малопластичной - до 15-20%, в качестве натрийсодержащей добавки вводят перлитовый песок марки М75 в количестве 5-10% от объема глины, и дополнительно содержит упрочняющую - алюминийсодержащую добавку (далее АСД) - в количестве 0,5-3% сверх 100% объема шихты.
Результат достигается также тем, что натрийсодержащую добавку - перлит и алюминийсодержащую добавку подвергают интенсивному совместному перемешиванию в течение 30-60 с.
В качестве основного сырья использованы кирпичные глины Калининского, Тураевского и Пестречинского месторождений РТ.
Среднепластичная глина Калининского месторождения по внешнему виду представляет собой землистую массу светло-коричневого цвета. Данная глина низкодисперсная с низким содержанием карбонатных включений (слабо вскипает при воздействии 10%-ного раствора HCl); высокочувствительная (чувствительность к сушке по методу Чижского составляет 65 сек); легкоплавкая (t=1260°С) с карьерной влажностью 15-22%.
Умереннопластичная глина Тураевского месторождения по внешнему виду представляет собой землистую массу от светло- до темно-коричневого цвета. Данная глина низкодисперсная с низким содержанием карбонатных включений (слабо вскипает при воздействии 10%-ного раствора HCl); высокочувствительная (чувствительность к сушке по Чижскому 60 сек); легкоплавкая (t=1280°С) с карьерной влажностью 18-23%.
Малопластичная глина Пестречинского месторождения по внешнему виду представляет собой землистую массу светло-коричневого цвета. Данная глина низкодисперсная с низким содержанием карбонатных включений (слабо вскипает при воздействии 10%-ного раствора HCl); высокочувствительная (чувствительность к сушке по методу Чижского составляет 60 сек); легкоплавкая (t=1330°С) с карьерной влажностью 20-25%. Свойства глин представлены в таблице 1.
В качестве добавок, регулирующих усадку, среднюю плотность, пористость и теплопроводность, использованы выгорающие добавки: отходы сельхозпереработки в виде шелухи гречихи и древесная мука.
3
Шелуха гречихи - сыпучий материал, высокооднородный по размеру гранул (1,25-2,5 мм) и насыпной плотности, являющийся побочным продуктом сельхозперерабатывающих предприятий, например, Буинского. Среднее значение насыпной плотности в естественном состоянии равно 160-170 кг/м. Гранулометрический состав шелухи гречихи представлен в таблице 2.
Древесная мука - это продукт сухого механического измельчения древесины, свойства которого регламентируются ГОСТ 16361-87.
Перлитовый песок (натрийсодержащая добавка - далее НСД) - это сыпучий, пористый, рыхлый, легкий, долговечный материал. Огнестоек: температура применения - от минус 200 до 900°С. Обладает тепло- и звукоизолирующими свойствами, высокой впитывающей способностью: способен впитать жидкости до 400% собственного веса. Биологически стоек: не подвержен разложению и гниению под действием микроорганизмов, не является благоприятной средой для насекомых и грызунов.
Таблица 1
Свойства глинистого сырья
Параметры глинистого сырья
Месторождения
Калининское
Тураевское
Пестречинское
Пластичность
Среднепластичная
Умереннопластичная
Малопластичная
Дисперсность
Низкодисперсная
Низкодисперсная
Низкодисперсная
Огнеупорность
Легкоплавкая (t<sub>плавл.</sub>=1260°С)
Легкоплавкая (t<sub>плавлен.</sub>=1280°С)
Легкоплавкая (t<sub>плавл.</sub>=1330°C)
Чувствительность к сушке (по Чижскому), сек
65
60
60
Содержание оксидов, %:
SiO<sub>2</sub>
75,16
73,70
71,22
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
12,20
11,02
8,93
FeO общ.
3,26
3,89
5,78
TiO<sub>2</sub>
0,05
0,19
0,55
СаО
2,15
3,64
1,72
MgO
1,13
-
2,24
K<sub>2</sub>O
1,35
1,08
1,27
Na<sub>2</sub>O
2,52
1,55
2,88
п.п.п.
2,18
4,93
5,41
Карьерная
Влажность, %
15-22
18-23
20-25
Таблица 2
Гранулометрический состав шелухи гречихи
Размеры отверстий контрольных сит, мм
2,5
1,25
0,63
0,315
0,14
менее 0,14
Полные остатки на контрольных ситах, %
78,9
89,7
97,7
100
100
100
Химически инертен: нейтрален к действию щелочей и слабых кислот. Перлит является экологически чистым и стерильным материалом, не токсичен, не содержит тяжелых металлов. Выпускается по ГОСТ 10832-91 по насыпной плотности марки М-75. Химический состав перлита приведен в таблице 3.
Таблица 3
Химический состав НСД
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
Na<sub>2</sub>O
K<sub>2</sub>O
H<sub>2</sub>O
71,78
12,77
0,9
1,54
1,31
0,6
4,1
3,0
4,0
2
2
Из данных химического состава перлита видно, что в его составе содержится значительное количество оксидов щелочных металлов (NaO+KO), суммарное содержание которых достигает 7,1%. Поэтому даже небольшое добавление перлита в состав глиняной шихты будет способствовать снижению температуры обжига кирпича, увеличит количество стеклофазы или «огневой связки», которая при остывании после обжига будет цементировать реликты глинистых минералов, кристаллические новообразования, крупнозернистые включения и укрепит стенки пор, а следовательно, увеличит прочность кирпича.
3
3
Алюминийсодержащая добавка - АСД - это влажная шламообразная масса, гальванический шлам - отход гальванического производства, например, Набережно-Челнинского алюминиевого производства. Эти многотоннажные отходы, которых ежесуточно образуется до 10 т, в настоящее время нигде не используются. Средняя влажность АСД - 75%, среднее значение насыпной плотности - 0,84 г/см, среднее значение истинной плотности - 2,7 г/см. Химический состав АСД представлен в таблице 4.
Таблица 4
Химический состав АСД
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
TiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MnO
CaO
MgO
Na<sub>2</sub>O
K<sub>2</sub>O
Р<sub>2</sub>О<sub>5</sub>
SO<sub>3</sub>
П.п.п.
0,61
55,47
0,01
0,13
<0,01
1,52
1,06
1,90
<0,01
0,05
9,47
29,78
2
3
2
Выбор АСД обоснован высоким содержанием в этой добавке оксидов алюминия (глинозема), которых недостаточно в наших глинах. Особенностью этих отходов является то, что содержащаяся в них AlOповышает прочность черепка, а даже незначительное количество NaO снижает температуру образования пиропластической массы.
Способ изготовления пористых керамических стеновых изделий осуществляли следующим образом.
Шихту готовили следующим образом. В смесителе с завихрителем в течение 30-60 с интенсивно смешивали предварительно высушенную до влажности 8-12% глину фракции менее 3 мм с выгорающей добавкой в виде шелухи гречихи или древесной муки, затем в процессе перемешивания добавляли в смеситель натрийсодержащую добавку - 5-10% перлитового песка марки М75 и АСД в количестве 0,5-3% сверх 100% от объема шихты и перемешивали компоненты еще в течение 30-60 с. Постепенно добавляя воду в количестве до 19 мас.% от расхода шихты, дополнительно перемешивали все компоненты шихты в течение 30-60 с.
2
Для повышения прочности кирпича при его изготовлении целесообразно НСД и АСД предварительно готовить. Готовили добавку следующим образом. Предварительно АСД высушивали до постоянной массы при температуре 105°С, а затем производили механический размол до тонины 250-300 м/кг. Затем интенсивно смешивали 0,5-3% (сверх 100% объема шихты) молотой АСД и перлитовый песок марки М75 в количестве 5-10% объема глины в смесителе с завихрителем в течение 30-60 с и готовую добавку вводили в шихту.
Изготовление образцов осуществляли пластическим способом в формах размером 50×50×50 мм путем формования сырцовых гранул при давлении прессования 0,2-2 МПа. Сушку образцов производили в лабораторном сушильном шкафу СНОЛ до остаточной влажности 4%. Обжиг осуществляли в печи ПК путем ступенчатого подъема температуры до 1000°С в течение 10-12 часов, выдержки при максимальной температуре в течение 1-2 часов и остывания до 40°С в течение 8-10 часов. После остывания образцы подвергали стандартным испытаниям: определяли среднюю плотность сырцовых образцов после сушки, среднюю плотность обожженных образцов, общую пористость, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и предел прочности при сжатии.
Пример 1
В смесителе с завихрителем в течение 30-60 с интенсивно смешивали предварительно высушенную до влажности 8-12% средне-, умеренно- или малопластичную глину фракции менее 3 мм с выгорающей добавкой в виде шелухи гречихи в количестве до 20-56% объема шихты, вводимой для среднепластичной глины до 55-56% объема шихты, для умереннопластичной глины - до 40-43%, а малопластичной - до 20-22%. Затем в процессе перемешивания добавляли в смеситель НСД - 5-10% перлитового песка марки М75 и АСД 0,5-3% сверх 100% от объема шихты и перемешивали компоненты еще в течение 30-60 с. Постепенно добавляя воду в количестве до 19 мас.% от шихты, дополнительно перемешивали все компоненты шихты в течение 30-60 с. Из полученной шихты пластическим формованием получали изделия, которые затем сушили и обжигали.
Пример 2
В смесителе с завихрителем в течение 30-60 с интенсивно смешивали предварительно высушенную до влажности 8-12% средне-, умеренно- или малопластичную глину фракции менее 3 мм с выгорающей добавкой в виде древесной муки фракции 560 мкм в количестве 15-50% объема шихты, вводимой для среднепластичной глины до 45-50% объема шихты, для умереннопластичной - до 35-40%, а малопластичной - до 15-20%. Затем в процессе перемешивания добавляли в смеситель НСД - 5-10% перлитового песка марки М75 и АСД 0,5-3% сверх 100% от объема шихты и перемешивали компоненты еще в течение 30-60 с. Постепенно добавляя воду в количестве до 19 мас.% от шихты, дополнительно перемешивали все компоненты шихты в течение 30-60 с. Из полученной шихты пластическим формованием получали изделия, которые затем сушили и обжигали.
Пример 3
Сначала готовили шихту следующим образом. В смесителе с завихрителем в течение 30-60 с интенсивно смешивали предварительно высушенную до влажности 8-12% средне-, умеренно- или малопластичную глину фракции менее 3 мм с выгорающей добавкой в виде шелухи гречихи в количестве до 20-56% объема шихты, вводимой для среднепластичной глины до 55-56% объема шихты, для умереннопластичной глины - до 40-43%, а малопластичной - до 20-22%. Затем в шихту вводилась добавка, предварительно подготовленная интенсивным перемешиванием НСД и АСД. После введения в шихту добавки вся смесь перемешивалась в смесителе с завихрителем еще в течение 30-60 с и затем, постепенно добавляя воду в количестве до 19 мас.% от расхода шихты, дополнительно перемешивали все компоненты шихты в течение 30-60 с. Из полученной шихты пластическим формованием получали изделия, которые затем сушили и обжигали.
Пример 4
Сначала готовили шихту следующим образом. В смесителе с завихрителем в течение 30-60 с интенсивно смешивали предварительно высушенную до влажности 8-12% средне-, умеренно- или малопластичную глину фракции менее 3 мм с выгорающей добавкой в виде древесной муки фракции 560 мкм в количестве 15-50% объема шихты, вводимой для среднепластичной глины до 45-50% объема шихты, для умереннопластичной - до 35-40%, а малопластичной - до 15-20%. Затем в шихту вводилась добавка, предварительно подготовленная интенсивным перемешиванием НСД и АСД. После введения в шихту добавки вся смесь перемешивалась в смесителе с завихрителем еще в течение 30-60 с и затем, постепенно добавляя воду в количестве до 19 мас.% от расхода шихты, дополнительно перемешивали все компоненты шихты в течение 30-60 с. Из полученной шихты пластическим формованием получали изделия, которые затем сушили и обжигали.
Результаты испытаний изделий по примерам 1-4 приведены в таблицах 5-8.
2
3
Результаты испытаний изделий, представленные в таблицах 5-8, показали, что изделия имеют прочность в интервале от марки 75 до 150 кг/см, плотность от 750 до 900 кг/м, а теплопроводность от 0,138 до 0,185 Вт/(м °С), что соответствует цели изобретения.
Результаты, приведенные в таблицах 5-8 по предлагаемому способу, выше, чем по прототипу, что говорит об эффективности введения в качестве натрийсодержащей добавки перлита и дополнительно АСД.
Сравнение результатов, приведенных в таблице 6 и прототипе, показывают, что введение взамен шелухи гречихи ДМ с дополнительным введением перлита и АСД позволяет получать аналогичные свойства с прототипом. Следовательно, этот предлагаемый способ позволяет расширять номенклатуру выгорающих добавок, при сохранении свойств керамики.
При этом результаты по примерам 3 и 4 показывают достаточно высокое (табл.7 и 8) превышение по прочности (до 15%), по сравнению с примерами 1 и 2, что говорит об эффективности предварительного раздельного приготовления добавки по примерам 3 и 4. Это также подтверждается более высоким коэффициентом конструктивного качества изделий предлагаемых составов, так как при этом получаются изделия пониженной плотности, но достаточно прочные.