CC BY
32УДК 666.3.046.44
А.А. МИНДУБАЕВ, инженер (almaz123@list.ru), М.Г. ГАБИДУЛЛИН, Р.З. РАХИМОВ, доктора техн. наук, Р.М. ГИЛЬФАНОВ, канд. техн. наук, Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КазГАСУ)
Моделирование и оптимизация составов клинкерного кирпича на основе модифицированной легкоплавкой глины
В настоящее время керамический кирпич составляет значительную долю среди облицовочных изделий. Актуальным направлением в керамической промышленности является выпуск клинкерного кирпича, который имеет повышенные показатели по прочности, долговечности, морозостойкости. Ведущие европейские страны выпускают клинкерный кирпич на протяжении веков. Клинкерный кирпич выпускался и в России до 1930—1940 гг., но с переориентацией промышленности стройматериалов СССР на дешевые массовые материалы и упрощением архитектурных форм производство клинкерного кирпича было свернуто. В настоящее время клинкерный кирпич востребован рынком, однако в основном он доставляется из-за рубежа.
В последнее время в ряде регионов РФ активно ведется разработка клинкерного кирпича на основе местного сырья. Анализ литературных источников показывает, что получение клинкерного кирпича возможно следующими способами: на основе тугоплавких глин [1, 2]; на основе специальных глин [3]; с добавками диатомита и опок [4]; с добавлением отходов [5, 6]; из огнеупорных глин [7]; с добавлением шлаков ТЭС [8] и комплексных добавок [9]. Республика Татарстан, как и многие регионы нашей страны, не обладает месторождениями тугоплавких глин, но располагает большими запасами легкоплавких глин. В связи с этим является актуальным развитие производства клинкерного кирпича модификацией легкоплавких глин добавками привозимых из других регионов тугоплавких глин и магматических пород.
На кафедре строительных материалов КазГАСУ доказана возможность производства клинкерного кирпича марки 300—1500 на основе местных легкоплавких
глин и комплексных добавок в виде тугоплавких глин и перлита [9].
С целью выявления зависимости основных физико-механических свойств клинкерного кирпича от различных технологических факторов была проведена серия опытов с планированием эксперимента. Интервалы варьирования исходных факторов были установлены на основании предварительных лабораторно-технологи-ческих исследований (табл. 1).
Время обжига, содержание воды, температура помещения и другие показатели почти не менялись.
Материалы исследования
Легкоплавкая глина — среднепластичная (П=17,5), среднечувствительная к сушке, неспекающаяся, содержание крупных фракций до 20%. Минеральный состав: кварц — 35%; плагиоклаз — 7%; полевой шпат — 7%; глинистые минералы: монтмориллонит — 42%; слюда — 5%; хлорит и каолинит — 4%, отмечена примесь гетита.
Огнеупорная глина — огнеупорность 1610—1630оС, высокопластичная глина (П=20—30), глинистая фракция (<0,001 мм) 50—70%, тяжелая фракция в среднем 0,014%; представлена преимущественно лимонитом. Остаток на сите 0,056 мм <6%, содержание крупнозернистых включений (0,5 мм) <1%. Воздушная усадка 5—10%, спекаемость 1100— 1200оС, водопоглощение <6%. Цвет керамического камня от светло-серого до кремового. Минеральный состав: каолинит 5055%; монтмориллонит 5—8%; гидрослюда 1—2%; свободный кремнезем 30—32%; прочие до 5%.
Перлит — вспученный мелкий перлитовый песок белого цвета марки М75 по ГОСТ 10832-91.
Химический состав материалов представлен в табл. 2.
Лабораторно-технологические исследования
Как правило, свойства строительных изделий от технологических факторов описываются зависимостями не выше второго порядка (1), поэтому для проведения эксперимента был выбран план Бокса (В3) [10] (табл. 3). В основе этого плана лежит полнофакторный эксперимент. В случае экспериментов с тремя факторами получен план с 17 опытами: восемь опытов в вершинах куба (координаты вершин куба определяются наибольшими или наименьшими значениями факторов); шесть опытов в центрах граней куба; три опыта в центре куба [11].
Таблица 1
Интервалы варьирования факторов
Факторы Интервал изменения факторов в натуральных величинах Интервал изменения факторов в кодированных величинах
Содержание огнеупорной глины 25<X<75 об. % -KXX+1
Содержание перлита 5<Y<15 об. % -KYX+1
Температура обжига 1000<Z<1200°C -KZX+1
Таблица 2
Химический состав материалов
Наименование Содержание оксидов в пересчете на сухое вещество, мас. %
SiO2 AI2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO SO3 K2O+Na2O ППП
Огнеупорная глина 60-65 20-23 2,5-3,5 1,2 0,1-3,6 0,8-1,26 - 0,6-1,2 7,5-8,5
Легкоплавкая глина 65-71 12,55-13,12 5,88-7,02 1-1,2 1,55-2,02 1,09-2,12 0,12-0,25 2,2-2,7 2,15-3,5
Перлит 65-75 10-16 До 3 - До 2 До 1 - До 9 -
26
апрель 2013
jVJ ®
Таблица 3
План экспериментов В3 и значения физико-механических характеристик клинкерного кирпича
Содержание огнеупорной глины, мас. % Содержание перлита, мас. % Температура, оС Предел прочности при изгибе, МПа Водопогло-щение, мас. % Средняя плотность, г/см3 Линейная усадка, % Объемная усадка, % Цена шихты, р.
Х Х' Y У Z Т W Ро Улин Уоб С
75 +1 15 +1 1200 +1 8,56 4,82 2,1 9,61 26,2 1,74
75 +1 15 +1 1000 -1 4,99 12,35 1,92 6,9 19,1 1,74
75 +1 5 -1 1200 +1 8,68 5,03 2,07 10,49 25,7 1,64
75 +1 5 -1 1000 -1 4,33 13,64 1,91 7,9 18,5 1,64
25 -1 15 +1 1200 +1 10,93 2,43 2,21 12,06 28,8 0,9
25 -1 15 +1 1000 -1 3,95 11,55 1,94 8,6 19,6 0,9
25 -1 5 -1 1200 +1 12,47 2,42 2,19 11,2 26,8 0,71
25 -1 5 -1 1000 -1 4,62 10,54 1,97 8,3 18,1 0,71
75 +1 10 0 1100 0 6,16 10,95 2,03 9,54 22,4 1,65
25 -1 10 0 1100 0 7,72 8,7 2,08 9,5 24,3 0,8
50 0 15 +1 1100 0 9,32 9,48 2,02 9,85 23,2 1,32
50 0 5 -1 1100 0 8,52 9,36 2,09 10,09 25,2 1,13
50 0 10 0 1200 +1 10,57 2,25 2,19 11,09 30,3 1,22
50 0 10 0 1000 -1 6,53 10,28 2,06 8,9 24,8 1,22
50 0 10 0 1100 0 9,31 9,85 2,06 9,97 24,1 1,22
50 0 10 0 1100 0 8,46 8,85 2,06 10,41 26 1,22
50 0 10 0 1100 0 7,85 8,84 2,05 9,75 24 1,22
А(Х,¥,г) = Ь0+Ь[Х2+Ь2¥2+Ьуг2+ЬАХ¥+
+ьъх-г+ьв-г-г+ъ1-х+ьъг+ь9г, (1)
где А — искомая физико-механическая характеристика клинкерного кирпича; Ь1 — коэффициент уравнения регрессии; X, У, Z— изменяющиеся факторы (содержание огнеупорной глины, перлита, температура обжига) .
Лабораторно-технологические исследования проводились в следующей последовательности. Легкоплавкая глина размалывалась в шаровой мельнице до удельной поверхности 2500 см2/г и просеивалась через сито 0,63 мм. Огнеупорная глина подвергалась помолу в вибрационной мельнице СВМ-3 до удельной поверхности 7000 см2/г. Смешивание компонентов шихты производили ручным способом в чашах, куда одновременно добавляли 19% воды. Приготовленную массу упаковывали в герметичные полиэтиленовые пакеты и вылеживали в течение 24 ч. После этого шихту разминали и формовали контрольные образцы. Сушку образцов осуществляли в сушильной камере СНОЛ до остаточной влажности менее 4%, а обжиг — в лабораторной высокотемпературной электрической печи по следующему режиму: подъем температуры со скоростью 2оС/мин до максимальной температуры (1000, 1100, 1200оС) с выдержкой в течение 1,5 ч; медленное остывание образцов до 20оС происходило вместе с печью. После обжига и остывания образцов проводили испытания их основных свойств: водопоглощения и средней плотности по ГОСТ 7025—91, линейной и объемной усадки; прочности на изгиб по ГОСТ 8462—85. Обработка результатов экспериментов, проведенных по плану В3 с помощью специальной программы, разработанной авторами, позволила построить зависимости (модели) для линейной усадки (Улин), объемной усадки (Уоб), средней плотности (ро), водопоглощения (W), предела прочности при изгибе (Лизг), условной цены шихты (С) от изменения факторов в заданных интервалах.
Улин= 0.0944 -Х+ 0,0138 + 0,152 -7- 0,000848 -Х2-0,00304 -Х-7-7,77; (2) Уоб=0,39552-Х-0,3507 ^+1,3168-7- 0,0039552 Х2+
+ 0,0001765-г2-0,06584 -72+181,065; (3)
р0= 0,01216 Х- 0,00631 • Z+ 0,002 • 7-0,0000576 • X2 +
+ 0,0000034 г2-0,00128 -72-0,0000076-х-г+
+ 0,000056 X-7+0,000018 ^-7+ 4,739; (4)
(5)
Ж= -0,104824 Х-0,43336 - 7+0,544175 -г + + 0,0051072Аг2+0,021668 • 72-0,00025368 •2-2-263,6456;
Яют= 0,6004 -Х+ 0,0438 2- 0,002496 -X2-
- 0,000344 Х 2-44,42; (6)
С= 0,017456 -Х+0,01488 -7+0,00001904 X2 + + 0,000476 • 72-0,00018 • Z• 7+ 0,1943. (7)
При построении модели удельной цены (7) не учитывались такие факторы, как фонд заработной платы, общезаводские расходы на производство кирпича, налоги, температура обжига и т. д., так как на каждом конкретном заводе эти показатели будут различаться. И понятно, что чем выше температура обжига, тем выше стоимость кирпича.
Для получения достаточно надежных выводов модели (2)—(7) были проверены на адекватность по критерию Фишера и критерию максимальной относительной погрешности. Для модели линейной усадки расчетное значение критерия Фишера /рас=0,818, в то время как критическое значение ^кр=/'(0,05;9;2) = 519,395. Поскольку ^рас<^кр для модели, то она является адекватной по критерию Фишера. Максимальная относительная погрешность между экспериментальными и расчет-
¡■Л ®
апрель 2013
27
Рис. 1. Поверхность отклика линейной усадки (а); объемной усадки (б) и средней плотности (в) от изменения содержания перлита и огнеупорной глины при г=1100°С
Рис. 2. Зависимость изменения водопоглощения (а); предела прочности при изгибе (б) и цены шихты (в) обожженных образцов
ными значениями, полученными для модели линейной усадки, не превышает Ртах=6%, что меньше критического значения, составляющего Ркр=10%, т. е. и по данному критерию модель (2) является адекватной. Результаты проверки на адекватность моделей (3)—(7) представлены в табл. 4.
Данные табл. 4 позволяют сделать вывод, что модели (2)—(7) являются адекватными. Поэтому их можно использовать при решении задач оптимизации по подбору технологических факторов, обеспечивающих наилучшие значения свойств строительных изделий.
При производстве клинкерного кирпича желательно, чтобы линейная усадка была как можно более низкой. Путем решения задачи оптимизации Улин^тт, при 25<Х<75%, 5<7<15%, 1000^<1200°С было установлено, что наименьшее значение линейной усадки Улин=7,2 достигается при значении технологических факторов Х=75%, 7=15%, Z=1000°C. Также по модели (2) была построена поверхность отклика (рис. 1, а), характеризующая влияние содержания перлита и огнеупорной глины на общую линейную усадку клинкерного кирпича при температуре обжига ¿=1100оС.
Так как в трехмерном пространстве нельзя представить поверхность отклика от трех независимых факторов, на рисунках поверхности откликов построены при фиксированном значении одного из факторов.
Анализ характера поверхности отклика для линейной усадки Улин при температуре обжига Z=1100°C позволяет отметить, что наиболее низкое значение линейной усадки наблюдается при максимальном содержании огнеупорной глины (75 об. %) и перлита (15 об. %). При этом чем больше добавляется перлита, тем ниже линейная усадка, что объясняется отсутствием изменения размеров при сушке предварительно высушенных частиц перлита, который выступает в роли отощителя.
Объемная усадка имеет важное технологическое значение. Она влияет на качество кирпича при сушке, и чем меньше ее значение, тем лучше. Путем решения задачи оптимизации У°б^тт, при 25<Х<75%, 5< 7<15%, 1000<Z<1200°C было установлено, что наименьшее
значение объемной усадки У°б=19,219 достигается при значении технологических факторов Х=75%; 7=15%; Z=1000°C. Также была построена поверхность отклика (рис. 1, б) для объемной усадки (У°б) клинкера от тех же варьируемых факторов при температуре обжига Z=1100°С. По характеру поверхности отклика видно, что содержание огнеупорной глины сильнее влияет на объемную усадку.
Для клинкерного кирпича одной из важных характеристик является средняя плотность. При производстве клинкерного кирпича желательно, чтобы средняя плотность была как можно больше. После решения задачи оптимизации, р^тах, при 25<Х<75%, 5<7<15%, 1000<Z<1200°С было определено, что максимальная средняя плотность клинкерного кирпича достигается при содержании огнеупорной глины Х=50%, перлита 7=10,31%, при температуре обжига Z=1200°С и составляет р°=2,207 г/см3. На рис. 1, в показана поверхность отклика для средней плотности от содержания огнеупорной глины и перлита при Z=1100°С. По характеру этой поверхности отклика можно заключить, что содержание огнеупорной глины оказывает большее влияние на среднюю плотность, чем содержание перлита.
Водопоглощение оказывает влияние на морозостойкость, а значит, и на долговечность клинкерного кирпича.
Важно, чтобы водопоглощение было минимально, так как оно влияет на морозостойкость и атмосферо-
Таблица 4
Адекватность построенных моделей
Название модели Критерий Фишера Грас Максимальная погрешность Ртах, %
Линейная усадка (2) 0,818 6,08
Объемная усадка (3) 0,892 7,25
Средняя плотность(4) 4,3 2,28
Водопоглощение (5) 0,291 7,82
Предел прочности при изгибе (6) 0,572 9,85
Условная цена (7) 0,707 2,12
28
апрель 2013
стойкость кирпича. Была решена задача оптимизации ^^тт, при 25<Х<75%, 5<7<15, 1000^<1200°С. В результате было установлено минимальное значение W=2,127, которое достигается при следующих значениях технологических факторов: X=50%; 7=10%; Z=1200°C. Для модели (5) была построена поверхность отклика (рис. 2, а), анализируя которую можно сделать вывод, что чем меньше в составе клинкерного кирпича огнеупорной глины и выше температура обжига, тем ниже водопоглощение. Содержание перлита не влияет на водопоглощение.
Важным показателем для клинкерного кирпича является предел прочности при изгибе. С помощью построенной модели (6) была решена задача оптимизации Rизг^max, при 25<Х<75%, 5<7<15%, 1000^<1200°С. В результате было установлено, что максимальное значение RиЗг=11,09 достигается при значениях Х=50%, 7— любое, Z=1200°С. На рис. 2, б представлена поверхность отклика предела прочности при изгибе при 1100°С от содержания перлита и огнеупорной глины. Характер поверхности показывает, что температура оказывает большее влияние, чем содержание огнеупорной глины.
На рис. 2, в представлена поверхность отклика условной цены шихты от технологических факторов при температуре обжига Z=1100°С. По характеру этой поверхности можно сказать, что содержание перлита влияет на цену кирпича больше, чем содержание огнеупорной глины.
Приведенные расчеты показывают, что большее влияние на водопоглощение, плотность после обжига, предел прочности при изгибе клинкерного кирпича оказывает температура обжига. Основное влияние на линейную и объемную усадку, условную цену шихты оказывает содержание перлита.
Для повышения конкурентоспособности клинкерного кирпича на рынке отделочных материалов необходимо, чтобы стоимость его была меньше. Поэтому необходимо подобрать такие значения технологических факторов, при которых стоимость шихты для одного кирпича минимальна при удовлетворении характеристик материала следующим свойствам: водопоглощение 3—6%, предел прочности при изгибе больше 7 МПа. Математическая формулировка этой задачи имеет следующий вид:
С(Х, 7,1)^тт (8)
при W<6, Rизг>7, 25<Х<75, 5<7<15, 1000^<1200.
В результате решения (8) установлено, что наименьшая условная стоимость шихты составляет С=0,706 р./ шт. в пересчете на один кирпич у образца с содержанием огнеупорной глины Х=25%, перлита 7=5%, при температуре обжига Z=1200°С. При этом водопоглощение кирпича составляет W=4,732%, а прочность при изгибе Rизг=11,24 МПа.
Поскольку марка кирпича во многом определяется прочностью и желательно его производить с максимальной прочностью, была решена задача оптимизации: подобрать такие значения технологических факторов, чтобы предел прочности при изгибе был максимален при удовлетворении характеристик кирпича следующему требованию: стоимость шихты для одного кирпича была менее 1 р./шт. Математическая формулировка этой задачи имеет вид:
Rизг(X, 7, Z)^тах (9)
при С<1, 25<Х<75, 5<7<15, 1000<Z<1200.
В результате решения (9) было установлено, что максимальная прочность при изгибе RиЗг=11,589 МПа наблюдается у образца с содержанием огнеупорной глины Х=36,298%, перлита 7=5%, при температуре обжига
Z=1200°С, при этом условная стоимость шихты одного кирпича составляет С=0,92 р./шт.
На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. Впервые по результатам трехфакторного эксперимента, проведенного по плану В3, установлены зависимости изменения основных физико-механических свойств клинкерного кирпича на основе легкоплавких глин от изменения содержания сырьевых компонентов и температуры обжига. Установленные зависимости могут быть использованы для получения широкого ассортимента клинкерного кирпича.
2. Экспериментально доказана возможность повышения предела прочности при изгибе клинкерного кирпича в 3,5 раза путем варьирования содержания огнеупорной глины, перлита, температуры обжига.
3. В лабораторных условиях получен клинкерный кирпич с максимальным пределом прочности при сжатии 80 МПа и при изгибе 11,1 МПа, водопоглощени-ем 3%, плотностью 2,16 г/см3, условной стоимостью шихты 0,98 р./шт.
Предложенный способ может быть полезен технологическим службам предприятий, планирующих производство клинкерного кирпича на основе местного сырья и привозных добавок.
Ключевые слова: клинкерный кирпич, перлит, легкоплавкая глина, моделирование, оптимизация.
Список литературы
1. Будников П.П. и др. Технология керамики и огнеупоров. М.: Промстройиздат, 1954.
2. Езерский В.А. Клинкер. Технология и свойства // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 79—81.
3. СоколовЯА. Клинкер и его производство. М., 1949. 68 с.
4. Салахов А.М., Фасеева Г.Р., Гизатуллин Б.И., Лядов Н.М., Болтакова Н.В. Клинкерная керамика: от лаборатории к промышленному производству // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 60—62.
5. Терешин С.А., Коробков А.М., Ильичева О.М. Высокопрочная керамика из легкоплавких глин с добавкой металлических порошков. Сб. науч. трудов «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». Т. 1. Мат-лы XV академических чтений РААСН. Казань: КГАСУ, 2010. С. 457-460.
6. Вакалова Т.В., Погребенков В.М, Верещагин В.И., Ревва И.Б. Управление качеством строительной и теплоизоляционной керамики путем проектирования состава массы // Строительные материалы. 2007. № 2. С. 27-30.
7. Морозова С.В., Пермяков Е.Н., Корнилов А.В., Лыги-на Т.З., Гревцев В.А. Клинкерная керамика на основе легкоплавких полиминеральных глин. Сб. науч. трудов «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии». Т. 1. Мат-лы XV академических чтений РААСН. Казань: КГАСУ, 2010. С. 420-424.
8. Шкарлинский О.Ф., Садунас А.С. Керамическая масса для изготовления стеновой керамики. А. с. 592795 СССР // Опубл. 15.02.78 Б.И. № 6.
9. Миндубаев А.А., Габидуллин М.Г. Высокомарочный клинкерный кирпич // Известия КазГАСУ. 2011. № 16. С. 209-212.
10. Вознесенский В.А., Ляшенко Т.В., Огарков Б.Л. Численные методы решения строительно-технологических задач на ЭВМ. Киев: Высшая школа, 1987, 328 с.
11. Ахмадиев Ф.Г., Гильфанов Р.М. Математическое моделирование и оптимизация «состав-свойство» многокомпонентных смесей // Известия КГАСУ. 2012. № 2(20). С. 289-297.
апрель 2013
29
