Керамическая плитка для внутренней облицовки стен с использованием техногенного сырья Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.3.(188+187)

А.А. ГАЛЕНКО1, канд. техн. наук; М.В. ПЛЕШКО2, инженер

1 Шахтинский институт (филиал) Южно-российского государственного политехнического университета им. М.И. Платова (346500, г. Шахты, Ростовская обл., пл. Ленина, 1)

2 Ростовский государственный университет путей сообщения (344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2)

Керамическая плитка для внутренней облицовки стен с использованием техногенного сырья

Проведен анализ современного состояния рынка облицовочных строительных материалов, а также сырьевой базы для их производства. Предложен новый техногенный сырьевой материал - отход седиментационного осаждения шахтных вод, проведены его комплексные предварительные исследования, позволяющие сделать вывод о его высокой реакционной способности и стабильности химического и минералогического составов. Разработаны составы масс с использованием нового компонента для производства керамической плитки для внутренней облицовки стен по технологии скоростного однократного обжига, установлено оптимальное соотношение сырьевых компонентов. С использованием методов рентгенофазового, дифференциально-термического и электронно-микроскопического анализа были установлены механизмы формирования фазового состава и структуры керамического камня, что позволило установить положительное влияние отхода седиментационного осаждения шахтных вод не только на послеобжиговые свойства, но и на интенсификацию процесса спекания за счет активации жидкофазовых процессов. Выявлены особенности влияния предложенного сырьевого материала на колориметрические свойства обожженного камня.

Ключевые слова: облицовочные материалы, керамический камень, отходы, плитка.

A.A. GALENKO1, Candidate of Sciences (Engineering); M.V. PLESHKO2, engineer

1 Shahtinsky Institute (branch) of the South-Russian State Polytechnic University named after M.I. Platov (1, Lenina Square, Rostov region, Shakhty, 346500, Russian Federation)

2 Rostov State Transport University (2, Square Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya, Rostov-on-Don, 344038, Russian Federation)

Ceramic tile for interior finishing of walls with the use of anthropogenic raw materials

An analysis of the contemporary situation at the finishing building materials market as well as raw materials base for their production is made. A new anthropogenic raw material, waste of mine water sedimentation, is offered; preliminary complex study of it is carried out; the study makes it possible to conclude that this material has high reaction capacity and stability of chemical and mineralogical compositions. Compositions of masses for manufacturing the ceramic tile for interior finishing of walls with the use of quick one-firing have been developed with the use of a new component; an optimal ratio of raw components has been determined. Mechanisms of the formation of phase composition and structure of ceramic stone have been determined with the use of x-ray phase, differential-thermal and electron-microscopic methods; it makes it possible to establish the positive influence of mine water sedimentation waste not only on after-firing properties but also on the intensification of sintering process due to the activation of liquid-phase processes. Features of the influence of this raw material on colorimetric properties of burnt stone are revealed. Keywords: finishing materials, ceramic stone, waste, tile.

Рынок строительных материалов в настоящее время достаточно разнообразен за счет появления современных и повышения качественных показателей уже известных материалов. Это стало возможным благодаря интенсивному развитию производственных технологий и внедрению передовых разработок, однако расширение номенклатуры строительных материалов практически не сказывается на востребованности облицовочной керамики, которая удерживает свои позиции из-за оптимального соотношения таких показателей, как долговечность, прочность и эстетическая привлекательность. К наиболее массовым керамическим облицовочным строительным материалам относят плитку для внутренней отделки стен. Производство данной продукции ориентировано не только на новое строительство, но и на реконструкцию и ремонт уже существующего, что обеспечивает стабильность спроса, однако возросшие объемы производства, а также повсеместное распространение предприятий по выпуску данных изделий вызвалм первичное затоваривание рынков сбыта и, как следствие, повышение предъявляемых к плитке требований.

В условиях всеобщей глобализации производство керамической плитки для внутренней облицовки стен осуществляется на однотипном оборудовании по общеизвестным технологиям, что предопределяет близость стоимостных показателей продукции. Кроме того, в последнее время многие отечественные предприятия пе-

реходят на использование сырьевых материалов зарубежных поставщиков, что обусловлено истощением месторождений высококачественного сырья. Таким образом, приоритетным направлением исследований является разработка составов керамических масс на основе сырьевых материалов отечественных месторождений, позволяющих повысить технико-эксплуатационные и эстетико-потребительские свойства продукции, а также снизить ее себестоимость [1—2].

Ввиду достаточной изученности месторождений традиционных материалов достижение значимого результата возможно при внедрении в состав масс нового сырьевого компонента — производственного отхода или техногенного материала. Решение данной задачи рассматривалось в работах многих ученых, которыми было доказано, что различного рода отходы при их правильной обработке по многим показателям превосходят традиционное сырье [3—5]. Основным недостатком рассмотренных отходов и техногенных материалов является зависимость их химико-минералогического состава от множества факторов, что определяет их основной недостаток — нестабильность свойств и состава. С учетом сказанного нами была поставлена задача по разработке составов керамических масс с использованием техногенного сырья, обладающего стабильными составом и свойствами.

На основе проведенного анализа в качестве производственного отхода, позволяющего интенсифициро-

60

апрель 2014

iA ®

вать процесс спекания, был выбран отход седиментаци-онного осаждения шахтных вод. Данный компонент представляет собой тонкозернистый материал светло-коричневого цвета, внешне похожий на красножгущую-ся глину, образованный в результате отстаивания вод, откачанных из отработанных выработок шахт по добыче каменного угля. В результате прохождения грунтовых вод через определенные подземные пласты они насыщаются однотипными соединениями, а отстаивание в одной емкости воды, откачанной в разное время, позволяет дополнительно гомогенизировать состав отхода.

Прежде чем осуществлять разработку состава керамических масс, был проведен комплекс физико-химических исследований отхода седиментационного осаждения шахтных вод. Так, в результате исследования методом РФА на дифрактометре ARL'XTRA установлено, что основными фазами в нем являются гетит (FeOOH) и кварц, также на рентгенограмме имеется интенсивное гало. В результате исследований, проведенных на электронном сканирующем микроскопе QUANTA 200, было установлено, что отход седимента-ционного осаждения состоит из частиц диаметром 90— 100 мкм, соединяющихся при высыхании в комья размером 20—50 мм. На основании полученных результатов можно сделать вывод, что данный компонент наиболее целесообразно применять в составе керамических масс с широким интервалом спекания взамен глинистых материалов, это позволит существенно интенсифицировать спекание, что особенно важно в условиях скоростного однократного обжига. Составы исследуемых масс представлены в табл. 1.

Из этой таблицы следует, что добавление отхода се-диментационного осаждения шахтных вод осуществлялось за счет снижения содержания владимировской глины. В качестве исходного состава, а также образца для сравнительного анализа был взят состав керамической массы № 1, разработанный ранее. В качестве компонента, интенсифицирующего процесс спекания, в данном случае используется калиево-натриевый полевой шпат, обладающий повышенной для условий скоростного однократного обжига плитки для внутренней облицовки стен температурой плавления. В данных условиях действие полевого шпата крайне незначительно и требуемая степень спекания достигается за счет его совместного введения с щелочным каолином [6—8], однако взаимодействие этих сырьевых материалов протекает достаточно медленно, что не позволяет полностью реализовать потенциал от их использования. С учетом вышесказанного было осуществлено введение отхода седиментационного осаждения как наименее тугоплавкого компонента, который позволил бы активировать взаимодействие других сырьевых материалов.

Подготовка масс осуществлялась шликерным способом. Для этого сырьевые материалы, отмеренные в соответствии с рецептурой, размалывали мокрым способом в фарфоровых барабанах на лабораторной мельнице при соотношении загружаемого материала к массе

мелющих тел 1:2. Тонкость и длительность помола определяли методом ситового анализа, путем определения остатка на сите № 0063. Шликер обезвоживался в лабораторной сушилке, после чего готовился пресс-порошок с крупностью зерен не более 1 мм. Прессование осуществлялось на лабораторном гидравлическом прессе с усилием прессования 25 МПа из пресс-порошка влажностью 5,5%. Размер спрессованных образцов 110x55 мм. Цикл обжига составляет 40 мин при максимальной температуре 1100°С. Характеристики готовых образцов представлены в табл. 2.

Как видно из полученных результатов, при увеличении содержания отхода седиментационного осаждения шахтных вод происходит увеличение общей усадки, которая у образцов составов 4 и 5 превосходит максимально допустимую величину в 1%; это обусловлено, по нашему мнению, интенсификацией спекания и изменением его механизма, в частности увеличением количества жидкой фазы. Механическая прочность при изгибе у всех образцов удовлетворяет требованиям нормативной документации, однако максимального значения достигает у образца № 3, что обусловлено не только интенсификацией взаимодействия щелочного каолина и полевого шпата за счет снижения тугоплавкости массы, но и оптимизацией соотношения щелочных и щелочноземельных оксидов, что является необходимым условием достижения высоких физико-механических показателей. Водопоглощение всех образцов удовлетворяет предъявляемым требованиям и имеет близкие значения вне зависимости от состава массы, что объясняется достаточно высокой плотностью спрессованной плитки, ее низкой влажностью, а также слабой дегазацией разработанных составов.

Для подтверждения сделанных выводов были проведены рентгенофазовые исследования, которые показали рост интенсивности гало при увеличении содержания отхода седиментационного осаждения шахтных вод; кроме того, наблюдается рост интенсивности пиков, соответствующих железистым соединениям, в частности гетиту (0,369; 0,221; 0,184; 0,17; 0,145). Рентгенограмма образца № 3 помимо вышеназванных характеризуется наличием дифракционных максимумов кварца (0,427; 0,335; 0,206) и муллита (0,339; 0,269; 0,229), идентификация которого на образце № 1 была возможна только при удалении наиболее ярких пиков кварца в момент снятия показаний, что свидетельствует об увеличении его содержания.

С целью подтверждения результатов рентгенофазо-вого анализа, а также уточнения влияния отхода седиментационного осаждения на физико-химические превращения, протекающие при обжиге, были выполнения сравнительные дифференциально-термические исследования исходного образца № 1 и оптимального № 3. В результате было установлено следующее: на кривой ДТА фиксируются эндоэффекты при 102 и 550оС, обусловленные удалением адсорбционной и конституционной воды: также фиксируется экзотермический эф-

Таблица 1

Компонент Содержание в шихтах, мас. %

1 2 3 4 5

Глина владимировская ВКС-3 57 55 53 51 49

Полевой шпат 14 14 14 14 14

Щелочной каолин 24 24 24 24 24

Бой плитки дробленый 5 5 5 5 5

Отход очистки шахтных вод 0 2 4 6 8

Таблица 2

Характеристики Значения характеристик обожженного керамического камня

1 2 3 4 5

Усадка, % 0,89 0,92 0,95 1,23 1,67

Механическая прочность, R^,, МПа 19,74 22,42 25,84 23,45 17,84

Водопоглощение, % 11,6 10,42 11,65 11,91 12,31

Температура I

Рис. 1. Дифференциально-термический анализ образца № 1

Рис. 2. Дифференциально-термический анализ образца № 3

Рис. 3. Образцы керамического камня №№ 1-5

фект при температуре 728оС, обусловленный образованием двойных силикатных и тройных алюмосиликат-ных соединений № и К, в частности К2О^Ю2; 3К20. Al2Oз.13SЮ2 и 3№20.Л1203^Ю2. Плавление данных соединений обусловливает незначительный эндотермический эффект при 801оС. Экзотермический эффект при 998оС обусловлен кристаллизацией первичного муллита в результате перестройки кристаллической решетки метакаолинита (рис. 1).

Кривая ДТА образца № 3 имеет ряд существенных отличий, в частности наблюдается еще один эндотер-

мический эффект при 252оС, связанный с удалением воды из вводимого отхода седиментационного осаждения; экзотермический эффект, обусловленный образованием соединений Na и K смещается в область более низкой температуры, в частности 700оС, а эндоэффект от их плавления представляет собой группу совмещенных пиков, представленных в интервале температуры 800—830оС (рис. 2).

Кроме того, были выполнены электронно-микроскопические исследования образца № 3, которые позволили выявить следующее: строение керамического камня характеризуется равно -мерной тонкозернистой структурой, не содержащей крупных пор. При повышенном увеличении Х1000 электронно-микро-скопи-ческая структура характеризуется достаточно плотной, монолитной, пронизанной тонкозернистыми чешуйчатыми кристаллами муллита; идентифицированы также кристаллы ß-кварца. За счет повышенного содержания стеклофазы, хорошо идентифицируемой при увеличении Х5000, являющейся цементирующей связкой, обусловлена повышенная плотность керамической плитки и соответственно ее механическая прочность.

Не менее интересным результатом использования данного сырьевого материала является интенсивное окрашивание керамического камня, который изменял цвет от светло-кремового образца № 1 до темно-коричневого с блестящей глянцевой поверхностью образца № 5 (рис. 3).

Окраска характеризовалась равномерностью по всей поверхности, а также по всей толщине излома образца, что может быть использовано при производстве объемно-окрашенной керамики, в частности керамо-гранита. Что же касается влияния окраски на эстетико-потребительские свойства рассматриваемой продукции, то это влияние полностью нейтрализуется использованием белого ангоба, этот же способ используют и многие зарубежные производители, включая в состав керамических масс красножгущиеся компоненты.

Таким образом, полученные результаты подтверждают положительное влияние отхода седиментационного осаждения шахтных вод на интенсификацию спекания керамических масс однократного обжига, что позволяет рассматривать его как стабильный по составу и свойствам, доступный и легкий в использовании сырьевой материал техногенного происхождения.

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 62 апрель 2014 Ы '

Список литературы

1. Солодкий Н.Ф., Шамриков А.С. Сырьевые материалы и пути повышения эффективности производства строительной керамики // Стекло и керамика. 2009. № 1. С. 26-29.

2. Ашмарин Г.Д., Курносов В.В., Ласточкин В.Г. Энерго- и ресурсосберегающая технология керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2010. № 4. С. 24-27.

3. Бурученко А.Е., Мушарапова С.И. Строительная керамика с использованием суглинков и отходов алюминиевого производства // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 28-30.

4. Адылов Г.Т., Меносманова Г.С., Рискиев Т.Т., Руми М.Х., Файзиев Ш.А. Перспективы расширения сырьевой базы для керамического производства // Стекло и керамика. 2010. № 2. С. 29-31.

5. Ильина В.П., Лебедева Г.А. Использование отходов обогащения щелочных сиенитов Елетьозерского месторождения для изготовления керамических плиток // Стекло и керамика. 2010. № 7. С. 3-6.

6. Сальник В.Г., Свидерский В.А., Черняк Л.П. Расширение сырьевой базы для производства санитарно-технической керамики // Стекло и керамика. 2009. № 1. С. 34-38.

7. Павлуненко Л.Е. Щелочные каолины Украины -комплексное сырье для керамической промышленности // Стекло и керамика. 2010. № 6. С. 27-29.

8. Аргынбаев Т.М., Стафеева З.Ф. Перспективные као-линсодержащие продукты ЗАО «Пласт-Рифей» // Стекло и керамика. 2010. № 3. С. 37.

References

1. Solodkii N.F., Shamrikov A.S. Raw materials and ways of increase of production efficiency of construction ceramics. Steklo i keramika. 2009. No. 1, pp. 26—29. (In Russian).

2. Ashmarin G.D., Kurnosov V.V., Lastochkin V.G. The power- and resource-saving technology of ceramic wall materials. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010. No. 4, pp. 24-27. (In Russian).

3. Buruchenko A.E., Musharapova S.I. Construction ceramics with use of loams and waste of aluminum production. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2010. No. 12, pp. 28-30. (In Russian).

4. Adylov G.T., Menosmanova G.S., Riskiev T.T., Rumi M.Kh., Faiziev Sh.A. Prospects of expansion of a source of raw materials for ceramic production. Steklo i keramika. 2010. No. 2, pp. 29-31. (In Russian).

5. Il'ina V.P., Lebedeva G.A. Use of waste of enrichment of alkaline syenites of the Eletyozersky field for production of ceramic tiles. Steklo i keramika. 2010. No. 7, pp. 3-6. (In Russian).

6. Sal'nik V.G., Sviderskii V.A., Chernyak L.P. Expansion of a source of raw materials for production of sanitary ceramics. Steklo i keramika. 2009. No. 1, pp. 34-38. (In Russian).

7. Pavlunenko L.E. Alkaline kaolins of Ukraine - complex raw materials for ceramic industry . Steklo i keramika. 2010. No. 6, pp. 27-29. (In Russian).

8. Argynbaev T.M., Stafeeva Z.F. Perspective kaolinsoder-zhashchy products of JSC «Plast-Rifey». Steklo i keramika. 2010. No. 3, pp. 37. (In Russian).

""f Новгород

10-12 сентября 2014 г.

Нижний Новгород

Оргкомитет: 140050, Московская обл., п. Красково, ул. К. Маркса, д. 117, РГА Телефон: +7-916-501-36-56 E-mail: gips@rescom.ru www.rosgips.ru

Российская гипсовая ассоциация Московский государственный строительный университет Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН ГУП «НИИМосстрой»

Седьмая Международная конференция

«Повышение эффективности производства и применения гипсовых материалов и изделий»

Тематика конференции:

■ технический прогресс в области гипсовых материалов и изделий (исследования, производство и применение)

■ ангидритовые вяжущие

■ гипсовые материалы в малоэтажном строительстве

■ привлекательность и механизмы инноваций в гипсовой отрасли

■ современное оборудование для производства гипсовых вяжущих, материалов и изделий на их основе

■ лаборатории, менеджмент качества, экологический менеджмент и их роль в обеспечении качества и долговечности гипсовых материалов

■ нормативно-техническая документация в соответствии с современными требованиями

■ обучение и переподготовка специалистов в области производства и применения гипсовых материалов и изделий

Генеральный информационный спонсор: журнал

Строительные Материалы