CC BY
26
УДК 666.3-1
ВЕРЕЩАГИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, vver@tpu. ru
Томский политехнический университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина 30,
БУРУЧЕНКО АЛЕКСАНДР ЕГОРОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, Сибирский федеральный университет,
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79,
МЕНЬШИКОВА ВИКТОРИЯ КАРЛОВНА, vi1222@mail.ru
Красноярский государственный торгово-экономический институт, 660075, г. Красноярск, ул. Л. Прушинской, 2
ОБЛИЦОВОЧНАЯ СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ДИОПСИДА
В статье приведены результаты исследования по получению строительной керамики с использованием диопсидового сырья и глины. В данной работе исследуется возможность получения строительной керамики, исключая мокрый помол и приготовление пресс-порошка в башенных распылительных сушилках.
Ключевые слова: диопсидовый концентрат, натрий-силикатное стекло, глина, керамическая масса, усадка, водопоглощение, прочность.
VERESCHAGIN, VLADIMIR IVANOVICH, Dr. of tech. sc., prof., vver@tpu. ru
Tomsk polytechnic University,
30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia
BURUCHENKO, ALEXANDER EGOROVICH, Dr. of tech. sc., prof.,
Siberian Federal University,
79 Svobodniy lane, Krasnoyarsk, 660041, Russia MENSHIKOVA, VICTORIA KARLOVNA, vi1222@mail.ru
Krasnoyarsk State Trade-Economic Institute,
2 L.Prushinskaya st., Krasnoyarsk, 660075, Russia
FACING BUILDING CERAMICS ON THE BASIS OF THE DIOPSIDE COMPOSITIONS WITH CLAY
The results of research on receiving the building ceramics with the use of diopside raw materials and clay are given in the article. In the given work the possibility of receiving the building ceramics, excepting a wet grinding and press powder preparation in tower spray driers is investigated.
Ключевые слова: diopside concentrate, sodium-silicate glass, clay, ceramic weight, shrinkage, water absorption, durability.
В современных условиях в керамическом производстве все более актуальными становятся проблемы улучшения качества и однородности минерального сырья.
© В.И. Верещагин, А.Е. Бурученко, В.К. Меньшикова, 2011
Основными причинами этого являются:
- определяющее влияние качества глинистого минерального сырья на качество керамических изделий;
- невозможность компенсации низкого качества подготовки сырья в последующих технологических процессах (формовании, сушки, обжига и др.) производства керамических изделий;
- ограниченные запасы в России глинистого минерального сырья высокого качества, так как значительная часть месторождений каолинов, тугоплавких и огнеупорных глин в результате распада СССР оказалась в ближнем зарубежье;
- повышение степени автоматизации основных технологических процессов керамического производства, вызывающее необходимость стабилизации показателей качества сырья [1].
Эффективное решение проблем возможно с использованием перспективных диопсидовых пород в качестве доминирующего компонента при производстве облицовочных строительных материалов, что позволяет частично или полностью заменить глинистое сырье без ухудшения свойств конечного продукта.
Диопсидовые породы исследованы при получении высокочастотной керамики [2], в составе тонкой строительной керамики [3] и фарфоровых масс [4, 5].
Ранее проведенные исследования [2-4] по использованию диопсидовых пород без добавления глинистого сырья в производстве строительной облицовочной керамики показывают, что их использование позволяет обеспечить требования нормативной документации, предъявляемые к керамическим облицовочным плиткам, где водопоглощение не превышает 10 %, усадка минимальна и колеблется в пределах 0,2-4,9 %, прочность достаточно высока, от
14 до 24 МПа, при температурах обжига от 800 до 1250 °С [5].
Целью данной работы является подработка составов и технологии получения строительной керамики с использованием диопсида.
Для решения поставленной задачи в качестве компонентов керамической массы исследовали диопсидовый концентрат, компановскую глину и на-трий-силикатное стекло. Количество диопсидового концентрата или диопсида в керамической массе варьировалось от 75 до 80 %.
Компонентный состав керамических масс приведен в табл. 1.
Таблица 1
Компонентный состав керамических масс, %
Компонент Обозначение массы
Эталонная масса М1 М2 М3
Диопсидовый концентрат 90 75 80 80
Компановская глина 10 10 10 5
Растворимое натрий-силикатное стекло - 15 10 15
Эталонная масса включала в себя 90 % диопсидового концентрата и 10 % компановской глины.
Диопсид Слюдянской группы месторождений, а именно Бурутуйского месторождения, отличается содержанием оксида железа от 2,0 % в поверхностном слое до тысячных долей процентов в основном массиве. Содержание диопсида меняется по глубине с постепенным увеличением до 80 %. В качестве основного примесного минерала в породе выступает кварц. В верхнем слое содержание его в породе достигает 50 %. Диопсидовый концентрат получен со среднего слоя, где содержание Бе203 - 0,65 %.
Компановская глина вводилась в состав смеси в количестве 5-10 %. Компановская глина является тугоплавкой и огнеупорной, она необходима в составе для увеличения пластичности при формовании и активизации спекания до появления достаточного количества расплава при заданной температуре обжига.
В составах М1, М2 и М3 в качестве компонента, активизирующего спекание, и технологической связки при формовании изделий, использовались силикаты натрия в виде жидкого стекла, количество которого в пересчете на сухой остаток составило 10-15 %.
Химический состав приведен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав компонентов
Массовая доля, %
Диопсидовый концентрат
8І02 ТІО2 А1203 Ре20э Са0 Мя0 №20 К20
54,41 0,01 1,2 0,65 26,21 17,31 0,17 0,04
Глина компановская
8І02 ТІО2 АІ203 РЄ20в Са0 Мя0 №20 К20
73,16 0,6 21,31 1,40 0,51 1,01 - 2,01
Растворимое натрий-силикатное стекло
8І02 ТІ02 АІ203 РЄ20в Са0 Мя0 №20 К20
74,7 - - - - - 25,3 -
По компонентному составу масс и химическому составу компонентов рассчитывали химический состав керамических масс. Химический состав масс приведен в табл. 3.
Таблица 3
Химический состав керамических масс по компонентному составу
Обозначение Содержание оксидов, масс. %
8І02 ТІ02 АІ203 Ре20э Са0 Мя0 №20 К20
Эталонная масса 56,29 0,07 3,21 0,73 23,64 15,68 0,16 0,24
М1 59,33 0,07 3,03 0,63 19,71 13,08 3,92 0,23
М2 58,31 0,07 3,09 0,66 21,02 13,95 2,67 0,23
М3 58,39 0,04 2,03 0,59 20,99 13,90 3,93 0,13
По химическому составу массы М1, М2 и М3 практически не отличаются. В сравнении с эталонной массой отличие имеется в содержании Na2O.
Керамические массы пересчитывались на систему CaO-Al2O3-SiO2, где MgO, Na2O, K2O пересчитывались на CaO; Fe2O3, пересчитывался на Al2O3.
В основу пересчета положено эквивалентное снижение температуры плавления системы оксидами-модификаторами.
На основе анализа диаграммы состояния CaO-Al2O3-SiO2 теоретически определены границы температурного режима спекания керамических масс (точки Э, М1, М2, М3 рис. 1).
SiOj
Рис. 1. Диаграмма системы CaO-Al2O3-SiO2
На диаграмме точки составов, содержащих диопсидовый концентрат, компановскую глину и натрий-силикатное стекло, находятся в поле кристаллизации волластонита.
На основании диаграммы состояния CaO-Al2O3-SiO2 построены кривые плавкости (рис. 2).
Расчет кривых плавкости показывает, что эталонная масса наиболее трудно спекаемая, так как характеризуется небольшим количеством первичного расплава («10 %) с плавным нарастанием до 100 % при температуре 1490 °С. Данный расчет подтвердился экспериментально, где водопоглощение составило более 20 %, прочность низкая - 2 МПа.
При введении в эталонную массу натрий-силикатного стекла в количестве 10-15 % характер кривой плавкости изменяется в сторону увеличения первичного расплава от 17,9 % (М1) до 38,1 % (М3), причем с ростом процентного содержания натрий-силикатного стекла и снижением глины количество первичного расплава уменьшается. В действительности появление жидкой фазы предполагается при более низких температурах за счет содержания в диопсиде примесей железа и щелочных компонентов. Увеличение расплава до 50 % происходит в интервале температур 1300, 1360, 1410 °С у составов М1, М2 и М3 соответственно. При температурах 1410°С - М1, 1450 °С - М2, 1480 °С - М3 достигается 100 % содержание расплава.
Температура, °С
Рис. 2. Кривые плавкости керамических масс:
М1 - 75 % диопсидовый концентрат, 15 % натрий-силикатное стекло, 10 % ком-пановская глина; М2 - 80 % диопсидовый концентрат, 10 % натрий-силикатное стекло, 10 % компановская глина; М3 - 80 % диопсидовый концентрат, 15 % на-трий-силикатное стекло, 5 % компановская глина; Э - эталонная масса
При расчете кривых плавкости в системе Ка20-ЛІ203-8і02 предполагается активное спекание исследуемых составов в эвтектической точке при температуре 800 °С. Реальная плавкость керамических масс находится в промежуточных областях температур 900-1100 °С. Поэтому температура обжига была взята равной 800 °С.
Рентгенофазовый анализ показал наличие в образцах преимущественно диопсида.
Для проведения экспериментальных исследований по изучению влияния различных показателей на прочностные свойства образцов объектами обработки были приняты вибропрессованные образцы - цилиндрики диаметром и высотой 20 мм, которые после вибропрессования сушили при температуре 100 °С и обжигали при температурах от 800 до 1250 °С.
После обжига определяли параметры усадки, водопоглощения, прочности при сжатии.
На рис. 3, 4, 5 приведены значения усадки, водопоглощения и прочности обожженных образцов при различных температурах. Состав образцов дан в экспликации рисунка 2.
Рис. 3. Изменение усадки образцов после обжига при различных температурах
Рис. 4. Изменение водопоглощения образцов после обжига при различных температурах
Рис. 5. Изменение прочности образцов после обжига при различных температурах
Усадка керамических масс характеризуется стремлением к нулевому значению в интервале температур от 800 до 900 °С у образцов М1 и М2. Однако при температуре от 1000 до 1250 °С кривая усадки показывает увеличение образца М1 до 4,16 % и незначительное увеличение усадки образца М2 до 3,69 %. У образца, в состав которого входит 80 % диопсидового концентрата,
15 % натрий-силикатного стекла и 5 % компановской глины, в интервале температур 800-950 °С усадка близка к нулевому значению, при температуре 1000-1100 °С она начинает расти от 0,8 до 1,5 %. Таким образом, керамические массы, содержащие больше глины, имеют большую усадку.
Соответственно усадке изменяется и водопоглощение. Общее водопо-глощение керамических масс не превышает 16 %. Образец под номером М1 имеет значительное отличие от двух других составов и, начиная с 800 °С, во-допоглощение приближается к нулевому значению и при температуре 1250 °С доходит до 0,97 %. У образцов под номерами М2 и М3 водопоглощение примерно одинаково и составляет от 14 до 7 % при различных температурах (см. рис. 4). Прочностные показатели этих составов представлены на рис. 5.
Прочность образцов в зависимости от температуры обжига отражает изменение усадки и водопоглощения. Прочность образцов достаточно высока и составляет более 10 МПа. Максимальная прочность достигается при введении в массу 80 % диопсидового концентрата, 15% натрий-силикатного стекла и 5 % компановской глины, где при температуре обжига 800 °С наблюдается значительная прочность, которая составляет 25,29 МПа, при температуре 1000 °С она достигает 32,16 МПа. Установлено: при увеличении в составах количества глины, прочность уменьшается.
На основании анализа результатов исследуемые составы оптимальны для получения керамической облицовочной плитки. Физико-химические свойства образцов представлены в табл. 4.
Таблица 4
Физико-химические свойства
Наименование характеристики Температура обжига, “С
1000 1100
Мі М2 М3 Мі М2 М3
Усадка, % 0,72 0,41 0,08 1,45 0,78 0,30
Водопоглощение, % 7,90 14,39 14,74 5,10 14,16 13,76
Прочность, МПа 14,50 15,36 29,98 17,25 17,94 30,68
На основании анализа результатов установлено, что составы М1, М2, М3 являются малоусадочными, так как их общая усадка не превышает 1 % при температуре от 800 до 1100 °С, водопоглощение минимально и составляет не более 10 % при температуре 1000-1100 °С, прочность высока - от 14,5 до 29,98 МПа, особенно у состава М3 (30,68 МПа). Данные показатели свидетельствуют о соответствии заявленных масс требованиям ГОСТ 13996-93 Плитки керамические фасадные и ковры из них. Технические условия.
Таким образом, установлено, что составы, содержащие в качестве основного компонента природный диопсид и в небольшом количестве компановскую
глину и натрий-силикатное стекло, могут быть использованы для получения высокопрочной малоусадочной керамики при производстве фасадной керамической плитки для наружной облицовки стен и стеновых панелей. Установлено, что взаимодействие диопсида с глиной при дисперсности -150 мкм начинается с 800 °С и линейно зависит от температуры.
Библиографический список
1. Буянов, Ю. Проблемы обогащения низкосортного глинистого минерального сырья в производстве тонкой строительной керамики / Ю. Буянов, Б. Сердюк // Строительные материалы. - 2003. - № 2. - C. 34-36.
2. Безжелезистые диопсидовые породы - новый вид минерального сырья / В.И. Верещагин, Ю.И. Алексеев, Е.П. Васильев [и др.] // Докл. АН. СССР. - 1988. - № 6. - С. 1434-1437.
3. Высокочастотная керамика на основе диопсида / В.И. Верещагин, Ю.И. Алексеев, Е.П. Васильев [и др.] // Стекло и керамика. - 1987. - № 8. - С. 21-22.
4. Диопсидовые породы - сырье многоцелевого назначения / В.И. Верещагин, Л.З. Резниц-кий, Е.П. Васильев [и др.] // Стекло и керамика. - 1989. - № 1. - С. 18-19.
5. Керамические материалы на основе диопсида / В.И. Верещагин, В.К. Меньшикова, А.Е. Бурученко [и др.] // Стекло и керамика. - 2010. - № 11. - С. 13-16.
