CC BY
13В.В. Нелюбова, научный сотрудник НИИНСМ А.В. Череватова, д-р техн. наук, В.В. Строкова, советник РААСН, д-р техн. наук,
Т. Гончарова, магистрант
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ОКРАШЕННЫХ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРИСУТСТВИИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ВЯЖУЩЕГО*
nelubova@list.ru
В статье описаны некоторые особенности применения наноструктурированного вяжущего в качестве активной добавки -модификатора, что приводит к увеличению цветостойкости окрашенных силикатных материалов с его применением.
Ключевые слова: силикатные материалы, пигменты, наноструктурированное вяжущее, модификатор
В настоящее время производством силикатных автоклавных материалов в Российской Федерации занимаются более 100 предприятий. В общей структуре производства стеновых материалов на долю силикатного кирпича приходится около 26-27%. В целом рынок силикатных изделий очень насыщен и имеет достаточно высокий уровень конкуренции, подталкивающей предприятия отрасли к постоянному повышению качества выпускаемой и освоению производства новых видов продукции. Это требует от производителей перехода на новые технологии и внедрение различных решений, способствующих повышению качества выпускаемой продукции.
Для повышения инвестиционной привлекательности силикатных материалов автоклавного твердения необходим переход на высокоэффективные технологии. Данная проблема может быть решена за счет использования наноструктурированного вяжущего (НВ).
На основании данных о составе и свойствах наноструктурированного вяжущего теоретически была обоснована возможность его использования в качестве активной добавки при производстве силикатных материалов, что позволило бы существенно повысить их прочность, влаго-, морозостойкость и др.
В настоящее время при проектировании микрорайонов все большее внимание уделяется их архитектурной и декоративной выразительности. Цветной силикатный кирпич играет одновременно роль конструкционного и облицовочного материала стен зданий, не увеличивая их толщины и не требуя дополнительных работ на укладку облицовки. Однако, на действующих предприятиях существует ряд про-
блем, связанных с производством окрашенного кирпича (рис. 1), а именно, распределение пигмента по объему, что приводит к неоднородности окраски готовых изделий, а так же разъедание пигментов щелочной средой материала при автоклавной обработке и в дальнейшем быстром выцветании силикатного кирпича.
Несколькими учеными [1, 2] был доказан тот факт, что введение пигмента в силикатную смесь снижает прочность изделия. Кроме того, к лицевому кирпичу предъявляются требования по плотности, а, следовательно, и по пористости. Пористость лицевого кирпича должна быть низкой во избежание загрязнения пылью, а также для уменьшения взаимодействия с агрессивными газами, содержащимися в воздухе.
Из достаточно большого числа известных в настоящее время пигментов при окрашивании силикатного кирпича используется весьма узкий спектр: пигменты на основе оксида железа, оксида хрома, некоторые виды органических пигментов, некоторые виды сажи. По способу получения пигменты подразделяются на природные и синтетические. Самый многочисленный класс пигментов - железоокисные пигменты.
Качество пигментов для объемного окрашивания определяется в первую очередь степенью их инертности по отношению к компонентам силикатной смеси при автоклавной обработке и дисперсностью. Значительная доля ведущих производителей заявляют щелоче-стойкость своей продукции.
Рис. 1. Проблемы объемного окрашивания силикатного кирпича и их влияние на свойства готовых изделий
Однако, практика использования таких пигментов для окрашивания силикатных автоклавных материалов показывает, что частицы красящего вещества в щелочной среде вступают при автоклавной обработке в химическое взаимодействие с окисью кальция, теряют собственную окраску и ослабляют окраску силикатной смеси. Растворяясь в слабой кремневой кислоте, такие пигменты взаимодействуют и с кремнеземом.
Объемное окрашивание силикатной смеси происходит следующим образом. При смешении тонкодисперсные зерна пигмента, как более мелкие по сравнению с другими компонентами смеси, адсорбируются на поверхности зерен кварца и извести. Для обеспечения покрытия пигментом всех зерен силикатной смеси их удельные поверхности должны находиться, в определенном соотношении.
Красящая способность пигментов зависит, помимо количественного содержания в них хромофоров, также и от их дисперсности. Интенсивность окраски образцов возрастает с увеличением удельной поверхности пигментов при одном и том же их содержании в смеси. Наибольшая интенсивность данного цвета обеспечивается, когда частицы пигмента покрывают сплошным одинарным слоем зерна песка. Толщина этого слоя определяется средним размером частиц пигмента. Если покрыть зерна песка, например, двойным слоем пигмента, то возрастет его расход, но интенсивность цвета не увеличится. Если же не вся поверхность зерен песка будет покрыта частицами пигмента, интенсивность цвета уменьшится [3]. Следовательно, для получения оптимальных составов окрашенных изделий необходимо, чтобы дисперсность пигмента и кварцевого компонента была сопоставима. Однако, на существующих предприятиях
кварцевый компонент не размалывается до высокой удельной поверхности.
Было сделано предположение, что введение наноструктурированного модификатора будет способствовать лучшему распределению пигмента по объему формовочной смеси.
В качестве красящего вещества в данной работе был использован пигмент фирмы Bayer (Германия).
Сравнительный анализ дисперсности пигмента и НМ показал, что оба материала обладают полифракционным составом.
Кроме того, pH-показатель суспензий пигмента и НМ совпадает, что свидетельствует о химической «инертности» пигмента по отношению к НМ.
Для анализа влияния модификатора на стойкость окраски пигментов моделировались составы формовочной смеси, без учета влияния кварцевого заполнителя, следующего состава:
^ 1 - наноструктурированный модификатор + пигмент S 2 - известь + пигмент
S 3 - наноструктурированный модификатор + пигмент + известь.
При этом содержание пигмента во всех составах находилось в пределах 1-1,5 %, что соответствует оптимальному содержанию красящих компонентов для силикатных материалов.
Установлено, что предварительная гомогенизация пигмента с НМ увеличивает интенсивность окраски смеси и способствует однородному распределению пигмента по объему (рис. 2).
Рис. 2. Влияние модификатора на интенсивность окраски: а - НМ + пигмент; б - НМ + пигмент + известь в - известь + пигмент
Далее, по разработанным составам были заформованы образцы-цилиндры, которые проходили автоклавную обработку при давлении 10 атмосфер по режиму 2-6-2 ч. Необходимо отметить, что данный режим является не типичным для ряда предприятий по производству силикатных материалов. Более оптимальным с точки зрения сохранения цвета изделий является автоклавная обработка при 8 атмосферах. Однако, при таком режиме не всегда достигаются нормативные прочностные показатели готовой продукции. Целью настоящего исследования стояло изучение поведения окрашенных материалов в присутствии модификатора в более агрессивной среде.
Образцы контрольного (заводского) состава отличались менее яркой окраской, что связано с активным воздействием агрессивной среды формовочной смеси на пигмент (рис. 3). На сколах образцов четко видны агрегаты пигментов, плохо распределенных в смеси.
Установлено, что введение модификатора в окрашенные материалы способствует повышению технико-эксплуатационных характеристик готовых изделий. Так, предел прочности при сжатии возрастает на 25% по сравнению с образцами контрольного состава. При этом плотность и водопоглощение материалов изменяется незначительно.
б
Рис. 3. Образцы окрашенных автоклавных материалов различного состава: а - с использованием красного пигмента; б - с использованием желтого пигмента 1 - экспериментальный состав, содержащий НМ; 2 - заводской состав
Анализ кинетики структурообразования и особенностей фазообразования в системе НМ + Са(ОН)2 позволил предложить модель взаимодействия наноструктурированного модификатора и пигмента (рис. 4). Данная модель за-
ключается в следующем. В процессе получения НВ из кварцевого сырья формируется кремнекислота. На заключительной стадии загрузки вещества при получении НВ, при его последующем использовании для производ-
ства окрашенных материалов, добавляется необходимое количество пигмента и заключи-
тельный помол осуществляется совместно.
Начальная стадия взаимодействия высокоактивного компонента НМ с Са(ОН)2 Рис. 4. Модель взаимодействия наноразмерных частиц пигмента с НМ
На данном этапе происходит обволакивании частиц пигмента тонкой коллоидной пленкой кремнекислоты, которая препятствует взаимодействию пигмента с известью. В процессе автоклавирования за счет повышенной активности ультрадисперсного вещества НМ в присутствии Са(ОН)2 образуются гидросиликаты кальция вокруг частиц пигмента. Это препятствует взаимодействию гидроксида кальция с оксидом железа и способствует сохранению цвета.
Таким образом, установлена эффективность использования наноструктурированного модификатора при производстве окрашенных силикатных автоклавных материалов. Предложенный способ позволяет избежать перерасхода пигмента и улучшить физико-
механические характеристики изделий.
Работа выполнялась при финансовой поддержке выполнена рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
1. Троцко, Т. Т. Цветной силикатный кирпич / Т. Т. Троцко, В. Б. Барановский. - Киев: Буди-вельник, 1977. - 88 с.
2. Бутт Ю.М. Влияние минералогического состава кремнеземистого компонента на взаимодействие его с известью и прочность автоклавных материалов / Ю.М. Бутт, Б.П. Паримбетов, К.К. Куатбаев // Вестник АН КазССР. - Алма-Ата, 1961. - №2. - С. 11-20.
3. Хавкин, Л. М. Технология силикатного кирпича / Л. М. Хавкин. - М.: Стройиздат, 1982. -384 с.
