12Перспективы производства клинкерной
черепицы на основе
аргиллитов
Дьяченко Никита Евгеньевич
магистрант, кафедра "Строительные материалы", Донской государственный технический университет, dia4encko.nikit@yandex.ru
Лапунова Кира Алексеевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра "Строительные материалы", Донской государственный технический университет, эл. адрес keramik_kira@mail.ru
В последние годы интерес к керамической черепице в России начал набирать обороты. На данный момент стоит задача в возобновлении её производства с применением техногенного каменного сырья. В нашем случае таким перспективным сырьем является аргиллит. В статье описаны перспективы производства клинкерной черепицы отечественными производителями керамических строительных изделий. Приведены структурные особенности и химико-минеральный состав аргиллитов. Выявлена зависимость прочности клинкерной черепицы от степени измельчения материала с возможностью уменьшения её толщины, без снижения механических показателей.
Ключевые слова: керамика, клинкерная черепица, аргиллит, техногенное сырье, производство, применение, себестоимость, плотность, водопоглощение
Введение. В последние годы интерес к керамической черепице в России начал набирать обороты. На данный момент стоит задача в возобновлении её производства с применением техногенного каменного сырья. В нашем случае таким перспективным сырьем является аргиллит. На базе Донского Государственного Технического Университета, на кафедре «Строительные материалы» проводятся лабораторные испытания и изучение данного сырья для последующего внедрения разработок в производство клинкерной черепицы в Южном Федеральном округе и России в целом. Черепица должна соответствовать требованиям государственных стандартов, по техническим качествам быть схожей с зарубежными аналогами, а в некоторых параметрах и превосходить их. А также иметь более низкую себестоимость в сравнении с западным опытом при высокой рентабельности производства.
История производства и применения керамической черепицы. Точное время появления керамической черепицы в качестве кровельного материала неизвестно. На сегодняшний день считается, что первыми черепицу начали изготавливать еще в древнем Египте более четырёх тысяч лет назад, после чего она появилась на территории стран Востока, от Аравийского полуострова до берегов Японского моря. В Китае черепицу начали осваивать с третьего тысячелетия до н.э., здесь её впервые начали декорировать цветными глазурями и ангобами. Первыми в Европе черепицу начали производить греки в VII в. до н.э., после чего она распространилась по средиземноморскому побережью [1].
В центральной и северной части Европы керамическая черепица распространялась на завоёванных территориях Римской империи. Однако опыт производства и
применения черепицы был утрачен с падением империи. Долгое время в качестве кровли использовали деревянные доски. Спустя несколько столетий в Европе черепица из обожжённой глины вновь появилась на территории Южной Германии лишь в XII-XIII веках. Большую популярность керамическая черепица обрела в готическую эпоху [2].
В России керамическая черепица так же появлялась несколько раз. Первый раз она была привезена из Византии в X в. в период крещения Руси. В основном черепица использовалась на крышах церквей и соборов. Второй раз черепица появилась в XVI в. с итальянскими зодчими в период правления Ивана III, ее производство наладили для постройки Московского Кремля. Затем начали появляться собственные небольшие производства черепицы, выполняющие заказы для Патриархии и царских дворов [3].
С XVIII в. керамическая черепица была заменена листовым железом. Лишь в середине XX в. по распоряжению партийного руководства начали воссоздавать заводы для производства керамической черепицы [4].
На сегодняшний день во многих странах продолжается производство керамической черепицы. Больше всего черепицы производится в странах Северной Европы. Современная черепица представлена в различных вариациях форм и декоративных покрытий [5].
В России производство керамической черепицы только набирает обороты. На данный момент стоит задача наладить производство, способное выпускать продукцию ниже по стоимости и не уступающую по своим техническим и эстетическим показателям европейским аналогам.
Лидером на рынке кровельных материалов выступает клинкерная черепица. Высокотемпературный обжиг клинкера обеспечивает черепице долгий срок службы и надежность. Также к отличительным положительным качествам клинкерной черепицы относятся следующие показатели:
- огнестойкость и устойчивость к высокой температуре;
- отличная паропроницаемость, что защищает дом от образования конденсата и появлению наледей в зимний период;
- низкий показатель водопоглощения (не более 3%) обеспечивает отличную морозостойкость;
- не накапливает статическое электричество, поэтому нет необходимости проводить заземление;
- устойчивость к агрессивным атмосферным воздействиям и коррозии;
- отличная шумоизоляция;
- экологичность материала и изделия;
- выдерживает серьезные механические нагрузки благодаря хорошему показателю прочности на изгиб;
- цветостойкость.
Благодаря вышеперечисленным показателям и учитывая разнообразие вариативности форм и цветов, клинкерная черепица представляет собой наиболее востребованный кровельный материал. Однако и она имеет перспективу по совершенствованию показателей.
Основные тенденции в развитии производства керамической черепицы. На сегодняшний день на рынке строительных материалов сложились определённые требования к улучшению качественных характеристик керамической черепицы.
Во-первых, необходимо снизить массу самой черепицы, тем самым облегчить нагрузку на стропильную систему. Для этого необходимо уменьшить толщину черепицы и при этом сохранить прочность и физико-механические свойства.
Во-вторых, снизить водопоглощение. Данная характеристика позволяет прогнозировать такие показатели, как: морозостойкость, водопроницаемость, пористость.
В-третьих, увеличить прочность черепицы, тем самым снижается процент боя при транспортировке и укладке и повышается срок эксплуатации изделия.
Материалы. Аргиллиты являются камнеподобной породой, не размокающей в воде, образовавшейся в результате уплотнения и эпигенеза глин, очень схожими по минеральному составу с обычными глинами [6].
В минералогическом составе аргиллитов преобладают гидрослюды различной морфологии, всегда присутствует каолинит и хлорит, иногда каолинит преобладает, поэтому выделяют гидрослюдистые, гидрослюдисто-каолинитовые и каолинит-гидрослюдистые аргиллиты. Так же в аргиллитах присутствуют слюды, полевые шпаты, кварц, опал, оксиды и гидрооксиды железа. Химический состав характеризуются содержанием, % по массе: SiO2 - 52,0-66,0; АЬОз - 16,0-26,0; Fe2Oз 4,0-7,0; СаО - 0,56,0; МдО - 1,0-3,0; К2О - 2,5-4,5; Na2O - 1,0-2,0 [7-11].
По сравнению с обычными суглинками, в аргиллитах содержание оксидов калия больше, что предопределяет хорошую спекаемость и легкоплавкость. Их слоистая структура и минеральный состав предопределяет их малую пластичность, низкую воздушную усадку и чувствительность к сушке.
Аргиллиты распространены во многих регионах нашей страны, от территорий Северного Кавказа до Дальнего Востока, во всех угледобывающих регионах [12].
Структурные особенности черепицы на основе аргиллитов. Обжиговые свойства аргиллитов, как и других камневидных керамических материалов, во многом зависят от степени измельчения или зернового состава измельчённого материала [13, 14].
-0-0,5мм. -0-0,315глм -О-ОД&мм — 0-0,Вм.м
Рисунок 1. Зависимость огневой усадки образцов от степени измельчения и температуры обжига
Огневая усадка зависит от химико-минерального состава глинистого сырья, режима обжига, где главным фактором является максимальная температура обжига. В случае с аргиллитами на усадку влияет степень измельчения, чем меньше фракционный состав, тем больше усадка [1]. На рисунке 1, показана зависимость огневой усадки аргиллитов от их степени измельчения и температуры обжига.
Как при обжиге глин, у аргиллитов сохраняется керамическая зависимость: чем выше температура обжига, тем выше плотность образцов. Это видно на рисунке 2, где представлена зависимость средней плотности образца, от степени измельчения и температуры обжига.
Рисунок 2. Зависимость средней плотности образцов от степени измельчения и температуры обжига
Рисунок 3. Зависимость предела прочности образцов на изгибе от степени измельчения и температуры обжига
Это значит, что у готовой черепицы будет наблюдаться меньшая пористость, тем самым уменьшится её водопоглощение и увеличится морозостойкость, а также возрастёт прочность [15-17].
Наиболее показательным фактором для черепицы является её прочность на изгиб. Обожжённые образцы на основе аргиллитов, обладают высокими показателями предела прочности при изгибе (рисунок 3) [11]. Прочность черепицы может варьироваться в зависимости от степени измельчения материала.
За счёт тонкого измельчения предел прочности увеличивается в 1,2-1,5 раза. Объясняется это особенностью структуры аргиллитов и их химико-минералогического состава [18,19].
Обсуждение и заключение. Получение клинкерной черепицы низкотемпературного спекания с повышенными прочностными показателями возможно за счёт отработки технологии на основе камнеподобного глинистого сырья - аргиллитов, обладающих особой структурой, химико-минералогическим составом и технологическими свойствами. Высокий показатель прочности на изгиб при низком водопоглощении, позволяет получать черепицу с существенно меньшей толщиной и соответственно меньшим весом, что дает возможность снизить себестоимость изделия и повысить спрос на керамическую кровлю.
Литература
1. Античная цивилизация / Под ред. В. Д. Блаватского. —Москва: Наука, 1973. -207 с.
2. Шуази О. История архитектуры: в 2 т. / О. Шаузи Москва: Всесоюзная академия архитектуры, — Т.1.— 1937. - 575 с.
3. Строительные материалы в реставрации памятников архитектуры. Учебное пособие./ Лысенко Е.И. - Ростов-на-Дону: РГСУ, 2007. - 136 с.
4. Топоркова А.А. Глиняная черепица. - Москва: Стройиздат, 1968. - 125 с.
5. Основные тенденции и перспективные виды сырья при производстве керамической черепицы / Котляр В.Д., Лапунова К.А., Лазарева Я.В., Усепян И.М. // Строительные материалы. 2015. № 12. С. 28-31.
6. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Глинистые породы. - Москва: МПР, 2007. 37 с.
7. Холодов, В.Н. Геохимия осадочного процесса / В.Н. Холодов. - Москва: ГЕОС, 2006. - 608 с.
8. Фролов, В.Т. Литология. Книга 2. / В.Т. Фролов. - Москва: МГУ, 1993. - 432 с.
9. Котельников, Д.Д. Глинистые минералы осадочных пород / Д.Д. Котельников, А.И. Конюхов. - Москва: Недра, 1986. - 247 с.
10. Петтиджон, Ф. Дж. Осадочные породы (перевод с англ.) / Ф. Петтиджон. -Москва: Недра, 1981. - 752 с.
11. Осипов, В.И. Микроструктура глинистых пород / В.И. Осипов, В.Н. Соколов, Н.А. Румянцева. - Москва : Недра,1989. - 211 с.
12. Геолого-экономическая и аналитико-технологическая оценка минерально-сырьевых ресурсов неметаллических полезных ископаемых Южного федерального округа с разработкой программы и рекомендаций по геологическому изучению и реализации инвестиционного потенциала региона: отчёт о НИР. -Казань: ФГУП ЦНИИ-геолнеруд, 2007. - 826 с.
13. Гузман, П.Я. Химическая технология керамики / П.Я. Гузман. - Москва: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. - 496 с.
14. Котляр, А.В. Камневидные глинистые породы Восточного Донбасса перспективное сырьё для производства стеновой керамики / А.В. Котляр, Б.В. Талпа // Сборник трудов научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы наук о Земле», Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ. - 2015. -С. 49-51.
15. Горшков, В.С. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений / В.С. Горшков, В.Г. Савельев, Н.Ф. Федоров. - Москва: «ВШ», 1988. - 400 с.
16. Дудеров, И.Г. Общая технология силикатов / И.Г. Дудеров, Г.М. Матвеев, В.Б. Суханова. - Москва: Стройиздат, 1987. - 560 с.
17. Гегузин, Я.Е. Физика спекания / Я.Е. Гегузин. - Москва: Наука, 1967. - 363 с.
18. Котляр, А.В. Особенности химического состава аргиллитоподобных глин и аргиллитов /А.В. Котляр, Б.В. Талпа, Я.В. Лазарева // Строительные материалы. - 2016. - № 4. - С. 30-31.
19. Орлова М.Е., Лапунова К.А., Лазарева Я.В. Влияние степени измельчения аргиллитов на свойства керамической черепицы низкотемпературного спекания // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. Т. 20. № 2. С. 186-193.С. 10-13.
Prospects for the production of clinker tiles based on mudstones Dyachenko N.E., Lapunova K.A.
Don State Technical University
In recent years, interest in ceramic tiles in Russia has begun to gain momentum. At the moment, the task is to resume its production using technogenic stone raw materials. In our case, argillite is such a promising raw material. The article describes the prospects for the production of clinker tiles by domestic manufacturers of ceramic building products. Structural features and chemical-mineral composition of mudstones are given. The dependence of the strength of clinker tiles on the degree of grinding of the material with the possibility of reducing its thickness, without reducing the mechanical parameters, was revealed. Keywords: ceramics, clinker tiles, mudstone, technogenic raw materials, production, application, cost, density, water absorption References
1. Ancient civilization / Ed. W. D. Blavatsky. —Moscow: Nauka, 1973. - 207 p.
2. Shuazi O. History of architecture: in 2 volumes / O. Shauzy Moscow: All-Union Academy of Architecture, — T.1.— 1937. - 575
p.
3. Building materials in the restoration of architectural monuments. Textbook./ Lysenko E.I. - Rostov-on-Don: RSSU, 2007. - 136
p.
4. Toporkova A.A. Clay tiles. - Moscow: Stroyizdat, 1968. - 125 p.
5. Kotlyar V.D., Lapunova K.A., Lazareva Ya.V., Usepyan I.M. The main trends and promising types of raw materials in the
production of ceramic tiles. // Construction Materials. 2015. No. 12. S. 28-31.
6. Guidelines for the application of the Classification of reserves of deposits and forecast resources of solid minerals. Clay rocks.
- Moscow: MPR, 2007. 37 p.
7. Kholodov, V.N. Geochemistry of the sedimentary process / V.N. Kholodov. - Moscow: GEOS, 2006. - 608 p.
8. Frolov V.T. Lithology. Book 2. / V.T. Frolov. - Moscow: MGU, 1993. - 432 p.
9. Kotelnikov D.D. Clay minerals of sedimentary rocks / D.D. Kotelnikov, A.I. Konyukhov. - Moscow: Nedra, 1986. - 247 p.
10. Pettyjohn, F. J. Sedimentary rocks (translated from English) / F. Pettyjohn. - Moscow: Nedra, 1981. - 752 p.
11. Osipov, V.I. Microstructure of clayey rocks / V.I. Osipov, V.N. Sokolov, N.A. Rumyantsev. - Moscow: Nedra, 1989. - 211 p.
12. Geological-economic and analytical-technological assessment of mineral and raw materials of non-metallic minerals of the Southern Federal District with the development of a program and recommendations for the geological study and implementation of the investment potential of the region: research report. - Kazan: Federal State Unitary Enterprise TsNIIgeolnerud, 2007. - 826 p.
13. Guzman, P.Ya. Chemical technology of ceramics / P.Ya. Guzman. - Moscow: LLC RIF "Stroymaterialy", 2003. - 496 p.
14. Kotlyar, A.V. Stone-like clayey rocks of the Eastern Donbass are a promising raw material for the production of wall ceramics / A.V. Kotlyar, B.V. Talpa // Proceedings of the scientific conference of students and young scientists with international participation "Actual problems of the Earth sciences", Rostov-on-Don: SFU Publishing House. - 2015. - S. 49-51.
15. Gorshkov, V.S. Physical chemistry of silicates and other refractory compounds / V.S. Gorshkov, V.G. Saveliev, N.F. Fedorov.
- Moscow: "VSh", 1988. - 400 p.
16. Duderov, I.G. General technology of silicates / I.G. Duderov, G.M. Matveev, V.B. Sukhanov. - Moscow: Stroyizdat, 1987. - 560 p.
17. Geguzin, Ya.E. Physics of sintering / Ya.E. Geguzin. - Moscow: Nauka, 1967. - 363 p.
18. Kotlyar, A.V. Features of the chemical composition of argillite-like clays and argillites /A.V. Kotlyar, B.V. Talpa, Ya.V. Lazareva // Building materials. - 2016. - No. 4. - P. 30-31.
19. Orlova M.E., Lapunova K.A., Lazareva Ya.V. Influence of the degree of grinding of argillites on the properties of ceramic tiles of low-temperature sintering // Bulletin of the Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. 2018. V. 20. No. 2. S. 186-193.S. 10-13.
