CC BY
247УДК 621.31 5.612.5
В.А. ЕЗЕРСКИЙ, канд. техн. наук, генеральный директор
ООО «Научно-исследовательский институт керамики» (г. Гжель Московской обл.)
Клинкер. Технология и свойства
В последние годы все более популярными и востребованными на отечественном рынке становятся клинкерные изделия. До недавнего времени вся клинкерная продукция была импортной. Современные отечественные предприятия, оснащенные новым оборудованием, имеющие автоматизированные системы управления процессами, вполне могут наладить выпуск клинкерной продукции. Уже есть примеры выпуска клинкерных материалов на российских кирпичных заводах. Однако для широкого круга потребителей клинкерные материалы остаются относительно новой продукцией, на нее нет отечественной нормативной базы, отсутствуют традиции применения клинкерных материалов. Поэтому целесообразно осветить вопросы технологии и свойств этого вида керамической продукции.
Определение: клинкером называют кирпич, плитку или фасонные изделия, обожженные до высокой степени спекания черепка без остеклования поверхности и без признаков деформации.
В зависимости от области применения различают:
— дорожный клинкер (кирпич и плитка, применяемые для мощения дорог, тротуаров, пешеходных дорожек и т. п.);
— технический клинкер (водостойкие клинкерные изделия для гидротехнических сооружений, для полов общественных и промышленных зданий, в том числе с высокой эксплуатационной нагрузкой, кислотоупорные материалы для футеровки резервуаров и отделки хранилищ в производствах с агрессивными условиями (кирпич и плитка различных фасонов);
— стеновой клинкер (кирпич и фасадная плитка, применяемые в гражданском строительстве в качестве облицовочных материалов, в том числе для возведения двух- и трехслойных стеновых ограждений).
Требования к сырью и материалам
Для производства клинкерных изделий применение легкоплавких гидрослюдисто-монтмориллонитовых глин проблематично. В большинстве случаев в состав шихты необходимо добавлять тугоплавкие каолинито-вые глины. Чтобы получить прочные и долговечные клинкерные изделия, необходимо учитывать особенности физико-химического состава и технологические свойства глин.
На основании собственных исследований, а также с учетом результатов известных работ по получению клинкерной продукции специалистами Научно-исследовательского института керамики были сформулированы следующие основные требования к глинистому сырью.
Химический состав. Наиболее важным при подборе состава шихты является соотношение оксидов кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия.
Повышенное содержание SiO2 придает черепку клинкера хрупкость, увеличивает пористость и водопо-глощение, снижает устойчивость к резким изменениям температуры.
Наиболее важная составляющая сырья при производстве клинкерного кирпича —оксид алюминия Al2O3. При повышении его содержания в процессе обжига происходит снижение вязкости расплава и уменьшение деформации изделий. Как правило, легкоплавкие кирпичные глины содержат недостаточное количество А12О3. Например, на Гомельском заводе (Республика Беларусь) применялся суглинок с содержанием оксида алюминия всего 8,1%. Его содержание увеличивали путем добавления в шихту каолинитовых глин. Оптимальное содержание А12О3 в шихте 17—25%.
Содержание оксида железа Fe2O3 в глинистом сырье не должно превышать 6—7%, так как в процессе обжига оксид железа (III) под влиянием восстановительной среды при 1000оС интенсивно переходит в оксид железа (II) — FeO, который вступает в реакцию с кремнеземом, образуя легкоплавкий фаялит 2FeO-SiO2. Вследствие этого в изделиях вблизи поверхности образуется сплошная корка, препятствующая удалению углекислого газа и газообразного кислорода, высвобождающегося в результате термической диссоциации Fe2O3. Кроме того, фаялит растворяется в соляной кислоте с образованием желеобразного кремнезема, что снижает кислотостойкость клинкера. Оксиды железа оказывают влияние и на окраску изделий после обжига. В зависимости от соотношения Fe2O3 и FeO цвет изделий изменяется от вишнево-красного до темно-фиолетового.
Содержание оксида кальция в сырье должно быть не более 7—8%. Повышенное содержание CaO в глине обусловливает уменьшение интервала спекания. Углекислый газ, образующийся при разложении CaCO3, увеличивает пористость изделия. При высоком содержании в глине CaO в начале процесса спекания может происходить медленное расширение, а затем вследствие образования жидкой фазы резкое плавление и деформация изделий, в особенности под нагрузкой (нижние ряды садки кирпича). Также возможно образование вздутий на спекшейся поверхности изделий. Очень важно, чтобы CaO в глине находился в тонкодисперсном состоянии.
Оксида магния MgO в глинистом сырье должно быть не более 3—4%. У глин, содержащих MgO, интервал спекания несколько больше, однако существенный недостаток магнезиальных глин заключается в том, что они имеют относительно большую усадку.
Щелочные оксиды Na2O и K2O содержатся в керамических глинах в количестве 1,5—4,5%. При недостаточном спекании или слишком высокой температуре обжига необходимо корректировать состав шихты добавлением плавней.
Для оценки обжиговых качеств глин также используется кремнеземистый модуль. Хорошие глины для
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
апрель 2011
79
производства клинкера характеризуются кремнеземистым модулем 3—4,5. При высоком значении кремнеземистого модуля возрастает хрупкость изделий, снижается прочность и морозостойкость. При низком значении возникают трудности при производстве изделий, т. е. уменьшается интервал спекания в процессе обжига, увеличивается вероятность появления деформаций.
Однако ориентироваться при подборе шихты только на этот показатель неверно. Для определения поведения изделий в обжиге специалистами института разработана методика и устройство для определения деформации под нагрузкой в процессе обжига. Экспериментально подобраны режим обжига, величина нагрузки и предельная деформация. На основании полученных результатов разработана методика расчета нагрузок и высоты садки клинкерного кирпича.
Минералогический состав. Кирпичные глины являются преимущественно гидрослюдисто-монтморилло-нитовыми или полиминеральными и, как правило, без добавок непригодны для производства клинкера.
При высоком содержании глинистого вещества (более 35—40%) в массу необходимо добавлять отощители либо тощие суглинки с малым содержанием глинистого вещества. Трудности могут возникать при повышенном содержании гидрослюды (более 10—15%). В этом случае уменьшается интервал спекания и наступает быстрая деформация при максимальной температуре обжига.
Недопустимыми примесями являются крупные включения кальцита и доломита, а также некоторых железистых соединений, таких как пирит и сидерит.
Повышенное содержание в глинах газообразующих минералов и добавок (органические примеси и др.) затрудняет получение клинкера высокого качества из-за возможности вспучивания при обжиге и получения черепка повышенной пористости.
Гранулометрический состав. Для производства клинкера предпочтительны тонкодисперсные глины, так как в этом случае можно получить более плотную структуру сырца, а также интенсифицировать процесс спекания керамического камня.
Пластичность не является определяющим показателем при производстве клинкера. Наиболее пригодны для этих целей среднепластичные глины. Но в большинстве случаев используется многокомпонентная шихта.
Чувствительность к сушке. Для полнотелых клинкерных изделий пригодны составы шихты с малой чувствительностью к сушке, для пустотелых — с малой или средней чувствительностью.
Спекаемость. Интервал спекания легкоплавких глин составляет 20—80оС, огнеупорных глин — 300—400оС. Составы шихты из таких глин подбираются экспериментальным путем, так чтобы интервал спекания составлял не менее 80—100оС.
Таким образом, составы шихты для производства клинкера следует разрабатывать с учетом химического, минерального состава глин, их дисперсности, пластичности, чувствительности к сушке и других показателей. При этом необходимо учитывать влияние различных компонентов и их сочетания для получения шихты, позволяющей получить клинкерные изделия с заданными свойствами.
Институтом изучены и рекомендованы в качестве добавок к легкоплавким кирпичным глинам при низком содержании каолинита следующие каолинитовые глины:латненская (Воронежская область), Б. Карповка или кшенская (Курская область), лукошкинская и чи-бисовская (Липецкая область), владимировская (Ростовская область), новоорская (Оренбургская область), нижнеувельская (Челябинская область), кондровская и ульяновская (Калужская область), пе-
чорская (Псковская область), андреевская «Веско-техник», курдюмовская, новорайская, краматорская и другие глины Дружковского рудоуправления (Украина). Исследование физико-химических и технологических свойств этих глин, особенностей их поведения при использовании в составе шихты с легкоплавкими кирпичными глинами позволило установить их преимущества и недостатки.
При использовании пластичных глин, в особенности с высоким содержанием монтмориллонита, в состав шихты добавляют отощители: кварцевый песок, тонкоизмельченный шамот из клинкерного боя и др. Кварцевый песок добавляют в количестве не более 15—20%, так как большее содержание песка неблагоприятно влияет на плотность и морозостойкость клинкера.
При недостаточном спекании или слишком высокой температуре обжига необходимо корректировать состав шихты добавлением плавней: полевого шпата, пегматита, нефелина, сиенита, талька, пирофиллита и др.
Свойства клинкерных изделий
Прочностные свойства керамики традиционно считаются одним из важнейших показателей. При получении клинкера с заданным водопоглощением при правильном подборе состава шихты и соблюдении технологических режимов часто прочность оказывается выше показателей, устанавливаемых нормативными документами разных стран. Так, по данным наших испытаний, при водопоглощении не более 2—2,5% предел прочности при сжатии клинкера может превышать 200—250 МПа, при изгибе — 20—32 МПа, при водопоглощении 2—4% предел прочности при сжатии, как правило, выше 80—100 МПа, при изгибе выше 12-18 МПа.
Водопоглощение. Показатель водопоглощения имеет превалирующее значение, в особенности это касается клинкерных изделий, применяемых для гидротехнических сооружений, мощения дорог, тротуаров, пешеходных дорожек и т. п. Получение клинкера с заданным водопоглощением является одной из самых сложных задач.
Долговечность — важнейшая характеристика клинкерных изделий, определяемая по показателю морозостойкости. Морозостойкость также коррелирует с величиной водопоглощения. Необходимо отметить, что по результатам наших испытаний при значении водопо-глощения менее 2,5% морозостойкость во всех случаях составляла 300 циклов без признаков разрушения.
Средняя плотность керамического камня для дорожного клинкера хорошего качества должна составлять 2,1—2,32 кг/дм3, для стенового — не менее 1,9 кг/дм3.
Сопротивление истиранию — важный показатель для дорожного клинкера. Испытания, проведенные в институте, показывают, что для качественного дорожного клинкера сопротивление истиранию должно составлять 0,2—0,4 г/см2.
Сопротивление удару. Сопротивление удару оценивается по специальной методике и характеризует хрупкость материала. Как известно, хрупкость присуща всем керамическим материалам. Учитывать хрупкость необходимо при производстве клинкера с низким водопо-глощеним (не более 2—2,5%). Важно получить материал, имеющий оптимальное соотношение кристаллической и аморфной фаз. Очевидно, что чем больше будет в керамическом камне кристаллической фазы, например муллита, волластонита, анортита и др., тем выше будет устойчивость к ударам. Этот показатель необходим для оценки стойкости к движению транспортных средств
80
научно-технический и производственный журнал
апрель 2011
дорожного покрытия, покрытия полов в производственных помещениях и др.
Антипроскальзывающая стойкость. Данный показатель необходимо определять для изделий, применяемых для мощения дорог, изготовления полов, ступеней, особенно участков, на которые могут попадать влага и маслянистые вещества.
Химическая стойкость оценивается по показателям кислотостойкости и щелочестойкости. Кислотостой-кость клинкера соответствует классам А и Б по ГОСТ 474—90 «Кирпич кислотоупорный» и составляет более 97,5%. Измеренная щелочестойкость составляет 75—80%.
Теплопроводность клинкера достаточно высока и составляет 0,9—1,2 Вт/(м-К). Показатель не играет особой роли в общей теплопроводности стены, так как клинкер в первую очередь выполняет защитные и эстетические функции.
Стойкость к образованию пятен, расширение под воздействием влаги, стойкость к тепловым ударам, тепловое расширение — показатели, которые определяются для клинкерных изделий специального назначения или по требованию потребителя.
Достоинства клинкера
1. Распространенность глинистого сырья для производства клинкера.
2. Благодаря многообразию формы, цвета, вида поверхности клинкерных изделий он придает неповторимый вид и индивидуальность конструкциям стен, цоколей, тротуаров и т. д.
3. Долговечность клинкерных изделий определяется неизменностью во времени его основных физико-технических и эксплуатационных свойств.
4. Не вызывает сомнений экологичность клинкерных изделий, ведь они изготавливаются путем обжига только из глины и песка.
5. Устойчивость к химической, биологической коррозии, грибку, водорослям и мхам, которые могут вызывать аллергию.
6. Стеновой клинкерный кирпич отличается высокими шумозащитными характеристиками (показатель изоляционной способности 40—50 дБ).
7. При облицовке стеновым клинкерным кирпичом трехслойная стена обеспечит прекрасный микроклимат летом и тепловой комфорт зимой.
8. Клинкерные изделия абсолютно не боятся солнечного ультрафиолета и сохраняют свой цвет на протяжении многолетней эксплуатации.
9. Абсолютная огнестойкость.
10. Многообразие дизайнерских решений при использовании клинкерных изделий совместно с другими материалами, например с деревом, стеклом и др.
11. Не требует восстановления и ремонта, поскольку благодаря низкому водопоглощению клинкерного кирпича и плитки на них не оседает грязь. Клинкер очень неприхотлив в уходе.
Высокие физико-механические показатели, многообразие архитектурных решений вызывает возрастающий интерес к клинкеру; по стоимости он становится конкурентоспособным с каменными облицовочным материалам.
Ключевые слова: клинкер дорожный, технический, стеновой, требования к глинам, прочность, водопоглоще-ние, долговечность, сопротивление истиранию, сопротивление удару, антипроскальзывающая стойкость, химическая стойкость.
Г; научно-технический и производственный журнал
^ ® апрель 2011 81
