CC BY
16
УДК 666.31.7
¡I ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОВОЙ СТРУКТУРЫ КЕРАМИЧЕСКИХ ПЛИТОК, ПОЛУЧЕННЫХ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ УГЛЕДОБЫЧИ
¡II Ж.С. Батырханова, Б.Ч. Кудрышова, В.Т. Станевич ^
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, г. Павлодар,
Аталган мацала KOMip any цалдыгыныц иегЫнде алынган керамыкальщ плиталардыц цурлымын зерттеуге арналады.
II! Данная статья посвящена исследования коровой структуры
|§§§ керамических плиток, полученных на основе отходов угледобычи.
¡ ••.The present article is devoted to the research of ceramic tile crust struc-|| ¡¡ ture, obtained from coal mining waste material.
Порообразование ее связь с общей структурой пор керамического черепка, а также характерные особенности таких структур технологического процесса изучены не достаточно. Структура керамических материалов определяется взаимоотношением твердой части и пор. Твердая часть является каркасом и характеризуется различным количественным соотношением и составом образующихся при обжиге фаз. По имеющимся в литературе сведениям отсутствует единое мнения относительно характеристики и размеров пор и механизма воздействия на них замерзающей воды. Об этом свидетельствует большое количество классификационных схем, характеризующих поры керамических изделий и их влияние на морозостойкость.
Оценка поровой структуры керамических материалов затруднено в связи с большими колебаниями результатов из-за значительных перепадов температур обжига и охлаждения, а также параметров прессования.
Учитывая высокие показатели по морозостойкости образцов керамических фасадных плиток, полученных нами, возникает необходи-
мость исследования всех форм, влияющих на этот показатель: влаж-ностное расширение, прочность при изгибе, характер пор и их расположение в структуре.
С целью изучения влияния на поровую структуру образцов керамических плиток состава шихты, способа подготовки пресс порошка и температуры обжига нами проведен ряд экспериментов в лабораторных условиях. При этом составы масс и способ их подготовки указаны в таблице 1.
Таблица 1
Составы масс и способ подготовки пресс порошка
№№ исследуемых составов Наименование сырья их содержание, мае. % Способ подготовки сырьевых материалов
Углеотходы, горизонт залегания +100 м Отходы минералловатного производства (ОМВП)
аргиллит алевролит
1 100 - - Сухой
2 - 100 - Сухой
3 50 50 - Сухой
4 100 - - Шликерный
5 - 100 - Шликер ный
6 50 50 - Шликерный
7 - 95 5 Шликерный
§ - 90 10 Шликерный
9 - 85 15 Шликерный
Показатели опытно-экспериментальных исследований: характеристики пористости, плотности, прочности и морозостойкости сведены в аналитическую таблицу 2.
Таблица 2
Зависимость химико-механических и эксплуатационных свойств от температуры обжига
Наименование показателей Исследуемые составы
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Температура обжига 950 °С
Водопоглощение, % 34,4 16,4 22,5 21,4 12,8 18,4 10,5 10,0 9,0
Прочность при изгибе, МПа 2,25 5,2 3,4 7,0 11,5 8,3 27,0 29,3 27,0
Морозостойкость, циклов 25 25 25 25 30 30 >40 >40 >40
Средняя плотность, кг/м 1600 1800 1730 1900 2150 2100 2170 2200 2300
Истинная плотность, кг/м 2350 2400 2370 2520 2580 2570 2610 2650 2690
Открытая пористость, °/о 30,5 26,1 27,9 28,3 23,5 24,6 17,1 17,0 16,5
Закрытая пористость, % 1,0 0,5 0,8 0,8 0,4 0,6 0,7 0,8 0,9
Общая пористость, % 31,5 26,6 28,7 29,1 23,9 25,2 17,8 17,8 17,3
Температура обжига 1 ООО °С
Водопоглощение, % 27т5 14,4 20,0 16,4 9,1 12,0 V 5,0 4,8
Прочность при изгибе, МПа 3,0 8,2 6,4 7,8 16,0 13,1 36,5 37,8 40,0
Морозостойкость, циклов 25 25 25 40 40 40 >40 >40 >40
Средняя плотность, кг/м 1710 2040 1800 2170 2190 2190 2200 2250 2410
Истинная плотность, кг/м 2400 2470 2430 2600 2630 2610 2690 2720 2760
Открытая пористость, •/о 27,9 25,0 27,0 26,3 21,0 22,3 17,5 12,6 10,6
Закрытая пористость, % 1,1 0,7 0,6 0,86 0,6 0,7 0,8 1,02 1,5
Общая пористость, % 29,0 25,7 27,5 27,2 21,6 22,9 18,3 13,6 12,1
Температура обжига 1050 °С
Водопоглощение, % 22,0 12,3 16т4 10,5 4,7 7Т1 Зт8 3?1 3,0
Прочность при изгибе, МПа 5,9 9,8 7,1 9,5 24,5 14,9 39,5 40,6 41,8
Морозостойкость, циклов 30 30 30 40 40 40 >40 >40 >40
Средняя плотность, кг/м 1840 2100 1900 2250 2360 2300 2450 2560 2600
Истинная плотность, кг/м 2490 2520 2510 2640 2720 2690 2750 2850 2900
Открытая пористость, % 28,3 23,2 24,0 24,9 18,8 19,5 15,3 11,2 9,3
Закрытая пористость, % 1,2 0,8 0,7 0,9 0,65 0,73 0,9 1,15 1,65
Общая пористость, % 30,0 23,9 24,7 25,8 19,5 20,2 16,2 12,4 10,9
Примечание: в таблице приведены усредненные значения.
Анализ приведенных данных подтверждает зависимость характера пористости от плотности и шихтового состава, лигологичесюго типа основного сырья, содержания отхода минераловатного производства (ОМВП), способа подготовки пресс порошка и температуры обжига керамических плиток.
Литологический тип углеотходов (аргиллиты, алевролиты) в заметной степени определяет картину пористости материала. Так, например, у образцов сформованных из алевролитового состава шихты и обожженных при 950 °С, 1000 °С и 1050 °С общая пористость не превышает 6 %. Она меняется у образцов из аргиллита с повышением температуры обжига от 950 °С до 1050 °С. Этот показатель растет с 5,1 % до 6,4 %. С повышением температуры обжига независимо от литологического типа основного сырья общая и открытая пористость плитки имеет тенденцию к уменьшению до 5 %, а закрытая - к увеличению (например, плитки из алевролита от 0,4 % до 0,65 %).
С добавкой ОМВП(до15%) закрытая пористость образцов керамических плиток увеличивается в 2,5 раза (от 0,6 % до 1,5 %), а общая и открытая пористости уменьшаются почти в 2 раза (от 21,6 до 12,1 % и от 21,0 % до 17,5 %, соответственно).
Увеличение добавки ОМВП с 5 % до 15 % положительно влияет на процесс формирования прочной и пористой структуры образцов, полученных из углеотходов алевролитового состава. При этом общая пористость уменьшается от 18,3 % до 12,1 %, а закрытая пористость и прочность керамических плиток увеличивается примерно в 2 раза (от 0,8 % до 1,5 % и от 36,5 МПа до 40,0 МПа, соответственно). Плотность образцов плиток алевролитового состава с добавкой ОМВП и без них с повышением температуры обжига имеет тенденцию к увеличению от 2150 кг/м3 до 2410 кг/м3.
Определяющая роль в формировании пористой и прочной структуры керамических плиток принадлежит способу подготовки пресс порошка. При шликерном способе подготовки пресс порошка предел прочности образцов при изгибе достигает 40,0 МПа и закрытая пористость до 1,5 %, а общая и открытая пористость уменьшаются от 12,1 % до 10,6 % соответственно.
Как видно из таблицы 2 морозостойкость образцов керамических плиток, полученных на основе углеотходов алевролитового состава повышается более 40 циклов попеременного замораживания и оттаивания с увеличением температуры обжига от 950 °С до 1050 С и содержания добавки ОМВП от 5 % до 15 %.
Установлено, что порозые структуры образцов керамических фасад-пых плиток определяются способом подготовки пресс порошка, литоло-
гическим типом основного сырья, содержанием ОМВП и температурой обжига, а также физико-химическим процессом, протекающим в зависимости от выше указанных факторов.
Как известно из литературных источников, наряду с поровой структурой существенно влияет на морозостойкость расположение (текстура) пор в объеме керамической плитки. В виду особенностей прессования наибольшая плотность обеспечивается во внешних слоях изделий. Так, например, в нашем случае, средняя плотность образца оптимального (состава 9, таблица 2) при температуре обжига 1000 °С с середины к поверхности увеличивается от 2409 кг/м3 до 2412 кг/м3.
Эта увеличенная плотность усиливается и фиксируется в результате первоочередного прохождения процессов поверхностной диффузии при спекании. Поэтому внешним слоям образцов керамической фасадной плитки алевролитового состава свойственна уменьшенная пористость. Основной объем пор реализуется во внутреннем объеме образцов в результате более длительного и более эффективного механизма объемной диффузии, проходящего к тому же в условиях восстановительной газовой среды за счет выгорания тонкомолотого угля, содержащегося в составе алевролита. В результате в образцах керамических фасадных плиток преобладают поры, доступ воды в которые, в обычных условиях эксплуатации, ограничен их плотной внешней оболочкой.
Таким образом, поровая структура исследуемых образцов, упрочненная стеклофазой за счет расплава малой вязкости (добавки ОМВП) при восстановительной газовой среде обжига, образующейся за счет выгорания тонкомолотого угля, содержащегося в составе алевролита, обеспечивает им высокую морозостойкость более 40 циклов попеременного замораживания и оттаивания и наибольшую прочность при изгибе 40,0МПа.
