CC BY
88Баранов Е.В., канд. техн. наук, доц., Шелковникова Т.И., канд. техн. наук, доц. Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
Хорина А.В., инженер-технолог ООО «Воронежская керамика»
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА СВЕТЛЫХ ТОНОВ*
Повышение качества и расширение цветовой гаммы лицевого кирпича для отечественной архитектуры является весьма актуальной задачей. Перспективой в этом направлении является технология получения лицевого кирпича широкой цветовой палитры путем объемного окрашивания. В статье представлены основные факторы, оказывающие влияние на формирование цвета и свойств керамического кирпича. Рассмотрены процессы, происходящие при осветлении керамического черепка за счет введения в шихту беложгущейся глины и мела.
Ключевые слова: объемное окрашивание, керамический кирпич светлых тонов, суглинок, беложгущаяся глина, мел.
Повышение спроса на изделия стеновой архитектурно-строительной керамики
обусловлено тем, что лицевой кирпич позволяет разнообразить и оригинально украсить фасады и интерьеры зданий. Одним из важных параметров, определяющих спрос на лицевой керамический кирпич, является его внешний вид: цвет, форма и фактура поверхности [1-4]. В связи с этим целесообразно рассмотреть за счет каких физико-химических процессов
керамический кирпич приобретает свой характерный красный цвет в процессе обжига и какими видами добавок возможно его расширить в желаемом направлении.
На формирование цвета и основных свойств керамического черепка оказывают влияние:
- химический состав исходного сырья;
- состав и виды добавок;
- температура, режим и среда обжига.
Химический состав суглинков и глин, применяемых для производства керамического кирпича, как правило, представлен следующими основными оксидами: SiО2, А12О3, CaO, MgO, Fe2О3, ТЮ2, К2О, №2О. Наибольшее влияние на формирование типичного красного цвета керамического кирпича оказывает Fe2О3. Тонкодисперсные железистые примеси, в зависимости от содержания их в сырье, придают обожженному керамическому черепку цвет в окислительной среде - от кремового и бледно-розового до вишнево-красного, в восстановительной среде - до сине зеленоватого и при большом содержании оксидов железа даже черного [ 1-4].
В качестве объекта исследований использовался суглинок месторождения Верхняя Хава Воронежской области, химический состав представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав суглинка месторождения Верхняя Хава Воронежской области
Массовые доли оксидов, %
SiO2 Fe2Oз+ FeO CаO MgO потери при прокаливании X
64,3 12,9 3,8 6,4 3,8 0,3 8,7 100
Из суглинка месторождения Верхняя Хава с нормальной формовочной влажностью изготавливали образцы плиточки, а также кубы с ребром 5 см. Образцы высушивали до постоянной массы при температуре 105 °С, а затем обжигали при максимальной температуре 1050°С.
Для определения минералогического состава керамического черепка естественной окраски выполнен ретгенофазовый анализ на приборе ДРОН 4-07. На основании РФА определены основные минералы, образующиеся в керамическим черепке которые представлены
в табл. 2 с указанием естественного цвета минерала.
Установлено, что окрашивание
керамического черепка в красные тона происходит в основном за счет образующего гематита (a-Fe2O3), а также возможно окрашивание стеклофазы в более темные (бурые) тона за счет растворения железа в стеклофазе.
Для осветления керамического черепка необходимо либо уменьшить содержание гематита, либо перевести Fe2O3 в расплав с образованием стекол светлых тонов, либо перевод Fe2O3 в бесцветные соединения [1-5].
Таким образом, зная химический состав (в регулируя количественное содержание оксида частности содержание оксидов железа), можно железа получить изделия различных цветовых спрогнозировать цвет будущего изделия, а оттенков.
Таблица 2
Основные минералы, образовавшиеся в керамического черепке в процессе обжига
Наименование минерала Цвет минерала
Кварц Бесцветный
Анортит Бесцветный или слабоокрашенный
Муллит Бесцветен, примесями Ге203 может окрашиваться и принимать буровато красный оттенок
Гематит От кроваво красного до черного
Фаялит Оливково-зеленый
Кристобалит Бесцветный
Тридимит Бесцветный
Кордиерит Бесцветный, серовато- голубой, фиолетово-синий, реже желтовато-белый или бурый
Различные виды легкоплавких В зависимости от преобладающих ионов
стекол
На сегодняшний день особым интересом среди потребителей пользуется кирпич именно светлых оттенков (персиковый, соломенный, бежевый).
Для изучения процессов осветления керамического черепка в состав дополнительно вводили:
- беложгущуюся (латненскую ЛТ-0) глину в количестве от 30 до 50 %;
- мел, из расчета соотношения Fe2 03/Са0 равного 0,3 и 0,2
Добавка светложгущейся глины в количестве 10 % существенно не влияет на окраску образцов, но увеличение ее содержания в исходном составе до 30-50 % способствует значительному осветлению изделий от оранжевого до темно-кремового, что обусловлено уменьшением содержания оксида железа в шихте.
При увеличении содержании латненской глины до 30-50 % происходит увеличение прочности при сжатии с 21,5 МПа при 0 % содержании латненской глины до 25-27,5 МПа. Водопоглощение снижается с 12,1 % до 9,4 %, а общая усадка увеличивается с 10 % при 0 % содержания латненской глины до 13,5 % при содержании латненской глины 50 %.
Снижение водопоглощения объясняется уплотнением керамического черепка за счет более интенсивного спекания глинистых частиц, содержащихся в латненской глине в большем количестве, при этом количество открытых пор уменьшается.
Красящее действие оксидов железа значительно ослабляется при наличии в глине карбонатных примесей. Так, по данным Г.А. Калантара [1-4], обожженный черепок в зависимости от соотношения Fe203/Ca0
приобретает окраску от розового до светло-желтого (табл. 3).
Таблица 3 Окрашивание керамических масс в зависимости от соотношения Fe2Oз/CaO
Расчет необходимого количества мела для получения предполагаемого цвета производился по известной формуле:
И = ( Аж.г- Мж.и Ак.г)/0,4 Мж.и (1)
где И - добавка известняка (мела) к глине,%; Аж.г - содержание Бе203 в глине, %;Ак.г -содержание Са0 в глине, %;Мж.и - необходимое отношение Бе203/Са0; 0,4 - условно принятое содержание Са0 в известняке в долях единицы.
Для получения желтого цвета керамического черепка (соотношение Бе203/Са0 = 0,3) необходимое количество мела составило 13,3 % сверх 100 % суглинка, а для получения керамического черепка светло-желтого цвета (Бе203/Са0 = 0,2) необходимое количество мела составило 28,75 % сверх 100 % суглинка.
Влияние мела на процессы окрашивания керамических изделий оценивали на образцах кубах при введении мела в количестве 13,3 % и 28,75 %. Обожженные образцы стали значительно светлее, чем без мела, и приобрели цвет от оранжевого до желтого. Рентгенофазовый анализ позволил установить основные минералы в полученном керамическом черепке (рис.1, табл.3).
Как показали экспериментальные исследования, введение в шихту мела способствует осветлению керамического
Соотношение Fe203/Ca0, в % не менее Цвет черепка
0,4 Розовый
0,3 Желтый
0,2 Светло-желтый
черепка. При этом существенно снижается железосодержащая фаза гематита а^203. Небольшое содержание гематита обусловливает появление розовых (кремовых) и оранжевых тонов в окраске образцов. Ввод в шихту мела вызывает образование новых кристаллических соединений: волластонита (CaO•SiO2), анортита (Ca0•Al203•2Si02), в меньшем количестве мелилита (Ca2(Al, Mg, Si)Si2O7), имеющих светлую окраску. Эти кальциевые соединения и придают изделиям светлую окраску. С другой стороны, ввод в шихту мела обеспечил более интенсивное образование стеклофазы в черепке, при этом процесс осветления керамического
черепка усиливается не только при обогащении его объема светлыми силикатами кальция, но также в результате вовлечения значительной массы красящих оксидов железа в сложные алюмосиликатные комплексы, бесцветные или с малоинтенсивной окраской, такие например, как мелилит, имеющего белый или бледно-желтый цвет [1-4]. Таким образом, смена красно-коричневых цветов на желтые в керамических изделиях при добавлении мела объясняется снижением содержания гематита и образованием светлоокрашенных минералов и стекол.
Рис. 1. Рентгенограмма обожжённых образцов при введении в шихту 28,75 % мела
Таблица 3
Минералогический состав керамического черепка при введении в шихту 28,75 % мела
Наименование минерала Химическая формула Цвет минерала Межплоскостных расстояний, А
Кварц БЮ2 Бесцветный 4,26; 3,34; 2,45;,2,28; 2.23; 2.12, 1,812
Анортит Ca0•Al203•2Si02 Бесцветный или слабоокрашенный 3,2 ; 2,95; 2,83; 2,51 ;1,837
Волластонит в Са^Ос,) Бесцветный, белый или серо-белый 3,88; 3,52; 3,31; 3,09; 2,96; 2,55; 2,47; 2,33; 2,3; 2,18; 2,01; 1,83
Мелилит Са2(А1, Mg, Fe, БО Белый, бледно-желтый, реже зеленовато-желтый, красно-бурый, серый 3,71; 3,074; 2,86; 2,45; 2,4; 2,3; 2,04; 1,828
Муллит 3 А12О3-2БЮ2 Бесцветен, примесями Fe2O3 может окрашиваться и принимать буроватокрасный оттенок 5,41; 3,42; 2,9; 2,69; 2,54; 2,29; 2,12
Гематит а- Fe2O3 От кроваво красного до черного 3,65; 2,69; 2,51; 2,2; 1,84
Фаялит Fe2SiO4 Оливково -зеленый 3,7; 2,85; 1,75
Кристобалит Бесцветный 4,03; 3,13; 2,83; 2,48; 2,112
Различные виды легкоплавких стекол В зависимости от преобладающих ионов
Установлено, что при введении в шихту показатели возрастают с 21,5 МПа без добавки мела в количестве 13,3 % прочностные до 27 МПа, а при введении мела в количестве
28,75 % с 21,5 МПа без добавки до 23,1 МПа. При этом при практически не изменой общей усадке, средняя плотность снижается, а водопоглощение при введении в шихту мела в количестве 13,3 % увеличивается до 14,6 %, при введении мела в количестве 28,75 % до 17,5 %.
Увеличение прочностных показателей обусловлено с одной стороны тем, что СаО в тонко дисперсном состоянии при температуре более 1000 0С является сильным плавнем и образует силикатные или алюмосиликатные расплавы, что оказывает положительное влияние на спекание и соответственно на повышение прочности, с другой стороны увеличение прочностных показателей можно объяснить появлением новообразованного волластонита, который отсутствует в обожженных образцах без добавки мела. Однако при введении в шихту мела снижается средняя плотность и возрастает водопоглощение, что вызвано увеличением количества открытых пор. Это объясняется тем, что при период диссоциации СаСО3 образуется большое количество углекислого газа, который дополнительно поризует систему.
*Работа выполнена при использовании оборудования Центра коллективного пользования Воронежского ГАСУ им. Ю.М. Борисова.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Альперович И.А. Новое в технологии лицевого керамического кирпича объемного окрашивания // Строительные материалы. №7. 1993.С. 5-9.
2. Зубехин А.П., Голованова С.П., Яценко Н.Д. и др. Спектроскопические и кристаллохимические основы белизны и цветности силикатных материалов // Известия вузов. Северо-Кавказский. регион. Технические науки.2007.№ 5. С. 40-43.
3. Зубехин А.П., Яценко Н.Д., Веревкин К.А. Влияние окислительно-восстановительных условий обжига на фазовый состав оксидов железа и цвет керамического кирпича // Строительные материалы. №7. 2011. С. 8-11.
4. Столбоушкин А.Ю. Улучшение декоративных свойств стеновых керамических материалов на основе техногенного и природного сырья // Строительные материалы. №8. 2013. С. 24-29.
5. Щербинин А.Р., Суркова Е.В., Пурик А.В., Баранов Е.В. Особенности формирования цвета и свойств керамического кирпича в процессе обжига // Материалы IX всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов, молодых ученых «Энергия молодых - строительному комплексу». Братск: Из-во БрГУ. 2015. С. 8185.
Baranov E.V., Shelkovnikova T.I., Khorina A.V.
THE FEATURES OF THE PRODUCTION OF A CERAMIC BRICK OF LIGHT TONES
Improving of the quality and expanding the color range of a face brick for domestic architecture is a very important task. The prospect in this direction is the technology of producing a face brick of a wide variety by three-dimensional coloring. The article presents the main factors influencing the colour formation and the features of a ceramic brick. The processes occurring during the clarification of a ceramic crock by introducing white-burning clay and chalk in the mixture are examined.
Key words: three-dimensional coloring, ceramic brick of light tones, loam, white-burning clay, chalk.
Баранов Евгений Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет Адрес: Россия, 394006, Воронеж, ул. 20 лет Октября, д. 84. E-mail: [email protected]
Шелковникова Татьяна Иннокентьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет Адрес: Россия, 394006, Воронеж, ул. 20 лет Октября, д. 84. E-mail: [email protected]
Хорина Алла Владимировна, инженер-технолог. ООО Воронежская керамика
Адрес: Россия, 394038, г. Воронеж, ул. Конструкторов 31 E-mail: [email protected]
