CC BY
50УДК 691.421.4
DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-777-12-18-22
В.Д. КОТЛЯР1, д-р техн. наук ([email protected]), Х.С. ЯВРУЯН1, канд. техн. наук,
Ю.А. БОЖКО1, инженер ([email protected]);
Н.И. НЕБЕЖКО2, инженер, индивидуальный предприниматель
1 Донской государственный строительный университет (344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1).
2 Индивидуальный предприниматель (344000, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 108).
Особенности производства лицевого керамического кирпича мягкой формовки на основе опоковидных пород
Представлены результаты научных исследований и опытно-промышленных испытаний технологии производства лицевого керамического кирпича мягкой формовки на основе кремнистых опоковидных пород. Дано описание кирпича мягкой формовки, отличающегося разнообразием внешнего вида и необычным дизайном, который заслужил признание архитекторов и дизайнеров. Подчеркивается, что основным сдерживающим фактором для широкого распространения данного вида кирпича является высокая стоимость ввиду очень малых объемов его производства в России. Указывается, что сложившаяся ситуация ставит перед промышленностью стеновой керамики сложную и актуальную задачу - наладить широкое производство кирпича мягкой формовки, который помимо эстетических будет иметь хорошие эксплуатационные свойства. Дана характеристика опоковидных пород и результаты изучения их керамических свойств применительно к технологии мягкой формовки. Представлена на обсуждение классификация типов лицевой поверхности кирпича мягкой формовки. Определены основные технологические параметры производства, взаимосвязь и влияние различных технологических факторов на свойства получаемых изделий, а также механизм формирования структуры обожженных изделий. Разработана вариативная технологическая схема производства лицевого кирпича мягкой формовки. Представленные результаты исследований будут полезны при налаживании производства кирпича мягкой формовки на российских кирпичных заводах.
Ключевые слова: ресурсосбережение, опоки, опоковидные породы, мягкое формование, лицевой кирпич, степень измельчения.
Для цитирования: Котляр В.Д., Явруян Х.С., Божко Ю.А., Небежко Н.И. Особенности производства лицевого керамического кирпича мягкой формовки на основе опоковидных пород // Строительные материалы. 2019. № 12. С. 18-22. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-777-12-18-22
V.D. KOTLYAR1, Doctor of Sciences (Engineering) ([email protected]), Kh.S. YAVRUYAN1, Candidate of Sciences (Engineering), Yu.A. BOZHKO1, engineer ([email protected]); N.I. NEBEZHKO2, Engineer
1 Don state technical University (1, Gagarin Square, Rostov-on-Don, 344000, Russian Federation)
2 Individual Entrepreneur (108, Prosvesheniia Street, Novocherkassk, 346000, Russian Federation)
Features of Production of Facial Ceramic Bricks the Soft Forming on the Basis of Opoka-Like Rocks
Presents the results of scientific research and experimental-industrial testing of technology of production of ceramic facing brick soft molding on the basis of siliceous opoka-like rocks. The description of a brick of a soft molding differing in a huge variety of appearance and unusual design which deserved recognition at architects and designers is given. It is emphasized that the main limiting factor for the widespread use of this type of brick is the high cost, due to the very small volumes of its production in Russia. It is indicated that the current situation poses a very complex and urgent task for the wall ceramics industry - to establish a wide production of soft-forming bricks, which in addition to aesthetic properties will have good performance properties. The characteristic of opoka-like rocks and the results of examination of their ceramic properties with respect to technology and soft molding. Classification of types of a front surface of a brick of soft molding is presented for discussion. The main technological parameters of production, interrelation and influence of various technological factors on properties of the received products, and also the mechanism of formation of structure of the burned products are defined. The variable technological scheme of production of a face brick of soft molding is developed. It is emphasized that the presented research results will be of interest to a wide range of manufacturers of facing ceramic bricks and will help to establish a wide production of soft bricks in Russia. Keywords: opoka, opoka-like rocks, soft molding, face brick, the degree of grinding.
For citation: Kotlyar V.D., Yavruyan Kh.S., Bozhko Y.A., Nebezhko N.I. Features of the production of ceramic facing brick soft molding on the basis of opoka-like rocks. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 12, pp. 18-22. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-777-12-18-22
В последние годы все большую популярность в строительстве приобретает лицевой керамический кирпич мягкой формовки. Его часто называют «кирпич ручной формовки», что с технологической точки зрения не всегда правильно, так как формование изделий может осуществляться различными способами, но формовочная масса имеет повышенную влажность и соответственно подвижность при пониженной структурной прочности. Если при обычном экс-трузионном способе, который часто называют пластическим, формование изделий происходит при удельном давлении в головке пресса 1—2 МПа, то особенностью технологии мягкой формовки является формование изделий при давлении формования
0,05—0,3 МПа. Для сравнения, усилие, которое может приложить человек при ручной формовке кирпича стандартных размеров, может достигать 0,1 МПа.
Главной особенностью кирпича мягкой формовки является его внешний вид. Кирпич имеет «бархатистую» фактуру различных цветов, с большим количеством углублений, шероховатостей и различных неровностей. Его скошенные углы и неидеальные геометрические размеры создают иллюзию старинного кирпича (рис. 1). Особенности технологии предопределяют абсолютную уникальность каждого изделия. Разнообразный рельеф лицевой поверхности, ангобирование и торкретирование поверхности различными по цвету и структуре составами, позволяют
Рис. 2. Кирпич ригель формата с размерами 495 х 95 х 40 мм
Рис. 1. Лицевой керамический кирпич мягкой формовки
создавать огромное количество вариантов дизайна изделий.
Потребителю предлагаются различные по размерам и форме изделия. Исторически сложилось так, что в настоящее время основным форматом кирпича является форма параллелепипеда с размерами граней: длина 250 мм, высота 65 мм и ширина 120 мм. Однако, стандартным размером европейских производителей кирпича «ручной формовки» является параллелепипед с размерами 210x100x65 мм и называется WDF. Расход такого кирпича на 1 м2 лицевой кладки с учетом шва составляет 58 шт. Европейская система форматов существенно отличается от общепринятых российских стандартов, поэтому возникают сложности с конструктивной стороны: нестыковка основных узлов, рядов кладки и пр. Нами при разработке технологии за основу взят российский формат 1НФ, и все остальные варианты формы кирпича мягкой формовки должны быть согласованы именно с ним.
В связи с относительно высокой стоимостью кирпича мягкой формовки популярность набирает так называемый «экоформат» с размерами 250x65x65 мм, который также имеет четыре лицевые поверхности. Применение такого формата кирпича обоснованно в случаях, когда необходимо снизить нагрузку на фундамент или снизить затраты на облицовочный материал.
Растущую популярность набирает кирпич сверхдлинного формата, называемый ригель или «лонг» (от англ. 1ощ — длинный), с размерами 495x95x40 мм (рис. 2). По сути, такой кирпич является прообразом древней плинфы, широко использовавшейся при строительстве храмов, церквей и прочих масштабных объектов. Сейчас ригель чаще всего применяется при строительстве ресторанов, кафе, различных шоу-румов и обустройстве интерьеров. Его уникальные размеры позволяют создавать смелые дизайнерские решения, по-новому прочитать архитектурные стили и создать выразительный фасад в сочетании с классическим лицевым кирпичом.
Отдельную категорию лицевого кирпича мягкой формовки составляет фигурный кирпич. Его основным предназначением является создание архитектурно-комбинаторных решений для украшения фасадов [1—3]. Известно огромное количество форм кирпича: от самых простых, где скошен один угол, до самых сложных, складывающихся в определенные орнаменты (рис. 3). Интересными являются решения по выпуску так называемого галтованного кирпича — со скошенными углами и закругленными краями.
Рис. 3. Различные формы фигурного кирпича
Несмотря на кажущуюся простоту производства кирпича мягкой формовки дело это очень непростое. Сырьевая масса мягкой формовки отличается повышенной формовочной влажностью в сравнении с традиционным пластическим или экструзионным способом. Это среднее состояние между пластической массой, когда сохраняется приданная форма, и шликером, когда масса подобна вязкой жидкости. Рабочая влажность различных формовочных масс зависит от многих факторов — минерального состава, дисперсности частиц, состава обменных катионов и анионов и т. д. Масса не должна прилипать к форме, при том что глинистые частицы обладают отрицательным зарядом и по своей природе притягиваются к металлу [4, 5]. При повышенной влажности изделия должны высыхать без дефектов, быть прочными и морозостойкими. Температура обжига должна составлять не более 1050оС, чтобы была возможность обжигать кирпич мягкой формовки в типовых печах.
Природа наградила Европу многочисленными месторождениями глин разных технических свойств, в России же ситуация иная. Основным сырьем являются суглинки и лёссы, из которых затруднительно получить высококачественный кирпич мягкой формовки. Однако даже при использовании качественных глин керамические массы для мягкой формовки включают в себя до 50% отощителя в виде шамота. Многочисленные эксперименты, проведенные нами, лишь подтвердили предположения, что на основе суглинков и лессов весьма сложно получить кирпич мягкой формовки с маркой по прочности М200 и морозостойкостью марки F50 и выше.
Работы, проводимые нами в последние годы, показали, что некоторые разновидности кремнистых опал-кристобалитовых опоковидных пород являются весьма перспективным сырьем для производства кирпича мягкой формовки. Многочисленные эксперименты позволили выделить в качестве основного сырья глинистые и глинисто-карбонатные опоки как
: ;:, |,j: научно-технический и производственный журнал
ш _
yj\ ® декабрь 2019 19
наиболее пригодные для мягкой формовки, а кремнистые глины в качестве пластифицирующей добавки [6—8]. Глинистые опоки дают традиционный для кирпича красно-коричневый цвет, глинисто-карбонатные дают светлые цвета — светло-желтый, бежевый, розовый, что является весьма ценным свойством.
Технологическая схема производства кирпича мягкой формовки включает те же четыре основных этапа, что и производство кирпича другими способами: подготовка сырьевой смеси; формование изделий; сушка изделий; обжиг изделий.
Особенностью технологии являются собственно способы формования. На рис. 4 показана вариативная технологическая схема производства лицевого кирпича мягкой формовки на основе опоковидного сырья с указанием вида технологической операции и рекомендуемого оборудования.
Подготовка сырьевой смеси. В общем виде подготовка сырьевой смеси заключается в измельчении опок, вводе добавочных материалов и тщательном перемешивании. Учитывая, что опоки являются кам-невидным сырьем, наиболее предпочтительным агрегатом для дробления является щековая дробилка. Можно использовать и другие виды дробилок, например конусные, но они более энергоемки и более чувствительны к влажности сырья. Опоки обычно имеют высокую природную карьерную влажность (10—20%), однако при этом сохраняют «камневид-ность» за счет высокой микропористости и дробление может происходить без подсушки. Если же влажность слишком высокая, рационально организовать естественную подсушку под открытым небом в теплый период или под навесами в холодный период. Так как опоки кусковой пористый материал, подсушка происходит относительно быстро. Крупность материала на выходе после щековой дробилки должна составлять менее 20—30 мм. Опоки отличаются невысокой прочностью и твердостью (5—15 МПа), износ рабочих деталей дробилки — щек будет небольшой. Конкретная марка щековой дробилки подбирается исходя из требуемой производительности.
Второй операцией является первичное измельчение. Крупность материала на выходе должна составлять менее 2—5 мм. Для этого могут использоваться молотковые, зубчатые, роторные дробилки, дезинтеграторы. Использование бегунов для опоковидного сырья неэффективно. Желательно, чтобы материал на измельчение поступал в полусухом виде, пыление при этом значительно уменьшается. Рациональной является организация дробления и первичного измельчения непосредственно на карьере.
Третьей операцией по подготовке сырьевой смеси является вторичное измельчение или помол. После этой операции зерновой состав сырья должен находиться в пределах фракций от 0—1,25 до 0—0,16 мм. Для этого могут использоваться дезинтеграторы для тонкого измельчения, маятниковые, стержневые, шаровые, вихревые мельницы. Использование вальцов для опок неэффективно, так как на выходе полу-
чается мало частиц тонких фракций. Процесс вторичного измельчения должен тщательно контролироваться, ведь степень измельчения является одним из главных факторов, влияющих на свойства изделий [7]. Оборудование должно быть настроено так, чтобы на выходе непрерывный зерновой состав был близок к плотнейшей упаковке. Подготовка сырьевых смесей с прерывистым зерновым составом существенно усложняет производство. Гарантированного зернового состава легко добиться при использовании маятниковых и вихревых мельниц. При этом следует иметь в виду, что при вторичном измельчении будет происходить дополнительная подсушка сырья, так как материал при измельчении нагревается.
Следующим этапом является смешивание измельченных опок с различными добавками. В основном это окрашивающие и осветляющие керамический камень добавки. Также в зависимости от конкретного способа формования могут вводиться пластифицирующие добавки в количестве до 20%, наиболее подходящими из которых являются кремнистые глины, имеющие пластичность 24—30 единиц [9]. Если формовочные и другие свойства опоковидных керамических масс можно регулировать степенью измельчения, то придать нужный цвет в объеме изделиям можно только вводом добавок-красителей. Также в смесителе производится увлажнение массы до необходимой консистенции. Так как красящие добавки вводятся в небольшом количестве, перемешивание должно быть очень тщательным. Для мягкого формования можно использовать двухвальные, трехвальные и различные типы экструдирующих смесителей. Рациональной является установка двух смесителей: вначале двух- или трех-вального, а потом экструдирующего.
После подготовки сырьевая масса поступает в бункер-накопитель, рассчитанный на 2—3 ч работы формовочного отделения. Удобным является наличие двух бункеров, особенно при переходе с одного состава массы на другой. Это позволяет сократить простой формовочного отделения. Бункер должен быть оборудован дозирующим устройством.
Формовка изделий. Формовка изделий по «мягкой» технологии может осуществляться тремя способами:
— технология собственно ручной формовки, где кирпич формуется именно руками человека, как и тысячу лет назад, в деревянных или металлических формах;
— разгонный способ, когда кусок массы округлой формы с помощью разгонного устройства бросается в форму. Разгонное устройство обычно представляет собой две резиновые ленты, установленные вертикально с небольшим уменьшением расстояния между ними книзу. Скорость лент и расстояние между ними могут регулироваться;
— способ задавливания, когда дозирующим устройством кусок массы округлой формы подается в форму, а затем сверху при низком давлении масса пуансоном задавливается в форму, где равномерно распределяется, а излишки выдавливаются.
Рис. 4. Вариативная технологическая схема производства лицевого кирпича мягкой формовки
Перед подачей массы форма может обсыпаться песком для того, чтобы масса не прилипала к форме, а также для придания декоративности. Пески на основе опок наиболее подходящий для этого материал, так как быстро впитывают влагу за счет высокой микропористости. При любом способе излишки массы в форме срезаются струной. После этого формы переворачиваются днищем вверх и изделие извлекается из формы. При ручной формовке производительность обычно составляет 800—1000 шт. кирпича в смену на одного человека. Автоматизированные линии фирмы DeBoer В.^ и других производителей могут достигать производительности до 40 тыс. шт. кирпича в час.
Сушка. После формования изделий следующим этапом является сушка. Для технологии мягкой формовки характерна малая прочность отформованных изделий, поэтому применяется ручная укладка или роботы со специальными захватами. Изделия очень аккуратно на постель укладываются на сплошные сушильные рамки, сделанные из влагопроводящего материала, где каждое изделие не соприкасается друг с другом, и далее рамки укладываются на сушильные вагонетки. Сушку по ряду причин (регулируемый индивидуальный режим сушки, меньше вибрации и т. д.) лучше проводить в камерных сушилах, хотя они и менее экономичны. Для разработанных нами керамических масс на основе опоковидного сырья
Список литературы
1. Котляр В.Д., Лапунова К.А. Технология и дизайн лицевых изделий стеновой керамики на основе кремнистых опоковидных пород: Монография. Ростовский государственный строительный университет. РнД: 2013. 193 с.
2. Котляр В.Д., Божко Ю.А. Технология получения и роль фигурного кирпича мягкой формовки в
несмотря на повышенную рабочую влажность достаточно 36—48 ч сушки, это немного в сравнении с традиционным глинистым сырьем.
Обжиг. Следующей операцией является обжиг. Среднее время обжига для обычного керамического кирпича составляет 48 ч. Для лицевого кирпича мягкой формовки на основе опок время обжига может быть сокращено. Особенностью является замедление скорости обжига при температуре 400—600оС в период дегидратации глинистых минералов и выделение воды из опалового кремнезема [10]. Также время выдержки при конечной температуре для кирпича на основе опок должно быть больше, так как он менее теплопроводен. За счет этого достигается равномерность свойств изделий. Скорость охлаждения не имеет принципиального значения и обычно составляет 10—15 ч. Оптимизация режима обжига на каждом конкретном производстве заключается в снижении энергетических затрат и получении изделий с заданными свойствами.
Наибольшие вопросы в оснащении технологической линии оборудованием при производстве кирпича разгонным способом или способом задавливания вызывают формовочные машины. С технической точки зрения они не сложны, и машиностроительное предприятие среднего уровня вполне справится с проектным заданием. Более сложной и дорогостоящей задачей является полная автоматизация всего процесса, целесообразно только для крупных предприятий. Как показали проведенные нами расчеты и имеющийся опыт в России, для предприятий производительностью до 15—20 млн шт. кирпича в год наиболее экономически целесообразны полуавтоматические технологические линии, ручной труд в которых задействован на укладке кирпича-сырца на сушильную рамку.
Организация производства кирпича мягкой формовки на основе опоковидных пород откроет широкие возможности для архитекторов в поиске индивидуальных решений и позволит поднять эстетику гражданского строительства на новый уровень. Когда-то, в силу особенностей развития производства стеновой керамики, в нашей стране в начале 1990-х гг. пределом мечтаний для архитекторов и строителей был качественный лицевой красный кирпич. В начале 2000-х гг. появился кирпич разнообразной окраски. Желтый, бежевый, коричневый кирпич считался пределом совершенства. 10 лет назад стал появляться кирпич с различными эффектами лицевой поверхности — поверхностная накатка, ангобирование, флеш-обжиг и т. д. Сейчас настает время кирпича мягкой формовки.
References
1. Kotlyar V.D., Lapunova K.A. Tekhnologiya i dizain litsevykh izdelii stenovoi keramiki na osnove krem-nistykh opokovidnykh porod [Technology and design of personal products of wall ceramics on the basis of siliceous opoka-like rocks]. Rostovskii gosudarstvennyi stroitel'nyi universitet. Rostov-on-Don, 2013. 193 р.
современном дизайне // Труды Академии технической эстетики и дизайна. 2018. № 2. С. 10—13.
3. Божко Ю.А., Лапунова К.А. Применение облицовочного кирпича мягкой формовки в современной архитектуре //Дизайн. Материалы. Технология.
2018. №1. С. 61-65.
4. Августиник А.И. Керамика. Л.: Стройиздат, 1975. 592 с.
5. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС, 2013. 576 с.
6. Котляр В.Д. Классификация кремнистых опоко-видных пород как сырья для производства стеновой керамики // Строительные материалы. 2009. № 3. С. 36-39.
7. Котляр В.Д., Лапунова К.А. Технологические особенности опок как сырья для стеновой керамики // Известиявысшихучебныхзаведений. Строительство. 2009. № 11-12 (611-612). С. 25-31.
8. Бондарюк А.Г., Котляр В.Д. Стеновая керамика на основе опоковидных кремнисто-карбонатных композиций // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2010. № 7 (619). С. 18-24.
9. Лапунова К.А., Лазарева Я.В., Божко Ю.А., Орлова М.А. Фазовые преобразования при обжиге кремнистых глин // Строительные материалы.
2019. № 4. С. 8-11.
10. Котляр В.Д., Лапунова К.А. Особенности физико-химических преобразований при обжиге опо-ковидного сырья // Строительные материалы. 2016. № 5. С. 40-42.
2. Kotlyar V.D., Bozhko Yu.A. Technology of production and the role of shaped bricks soft molding in modern design. Trudy akademii tekhnicheskoi estetiki i dizaina. 2018. No. 2, pp. 10—13. (In Russian).
3. Bozhko Yu.A., Lapunova K.A. The use of bricks the soft forming in modern architecture. Dizain. Materialy. Tekhnologiya. 2018. No. 1, pp. 61—65. (in Russian).
4. Avgustinik A.I. Keramika [Ceramics]. Leningrad: Stroyizdat, 1975. 592 p.
5. Osipov V.I., Sokolov V.N. Gliny i ikh svoistva. Sostav, stroenie i formirovanie svoistv [Clay and their properties. Composition, structure and formation of properties]. Moscow: GEOS. 2013. 576 p.
6. Kotlyar V.D. Classification siliceous opoka-like rocks as raw material for producing wall ceramics. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2009. No. 3, pp. 39—39. (In Russian).
7. Kotlyar V.D., Lapunova K.A. Technological features of flasks as raw materials for wall ceramics. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2009. Vol. 11-12 (611-612), pp. 25-31. (In Russian).
8. Bondaryuk A.G., Kotlyar V.D. Wall ceramics on a basis the opoka-like of siliceous and carbonate breeds and artificial siliceous and carbonate compositions. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Stroitel'stvo. 2010. No. 7 (619), pp. 18-24. (In Russian).
9. Lapunova K.A., Lazareva Ya. V., Bozhko Yu.A., Orlova M.A Phase transformations during firing of siliceous clays. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials] 2019. No. 4, pp. 8-11. (In Russian).
10. Kotlyar V.D., Lapunova K.A. Features of physical chemical transformations during opoka-like row material burning. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2016. No. 5, pp. 40-42. (In Russian).
научно-технический и производственный журнал tj frJ0';ï(-'JibTib\= ~22 декабрь 2019
