CC BY
19УДК 666.972.167
Н.Г. ГУРОВ, генеральный директор, А.А. НАУМОВ, начальник научно-исследовательского отдела, ЗАО «Южный научно-исследовательский институт строительных материалов»; А.Н. ЮНДИН, канд. техн. наук, Ростовский государственный строительный университет (Ростов-на-Дону)
Повышение морозостойкости керамического камня полусухого прессования минеральной модифицирующей добавкой
Как показывает практика, зачастую кирпич полусухого прессования уступает по морозостойкости изделиям пластического формования. Это можно объяснить различной первоначальной структурой, формируемой в процессе прессования сырца. При полусухом прессовании формируется более крупнопористая структура и практически все поры сообщаются с атмосферой, а у изделий пластического формования имеет место образование карманных или запираемых пор, которые могут относиться к резервным, способствующим повышению морозостойкости. Кроме этого, кирпич полусухого прессования характеризуется меньшими значениями прочности при изгибе и растяжении в сравнении с материалом пластического формования [1], что оказывает отрицательное влияние при замораживании водонасы-щенного материала, так как образующийся лед создает в материале растягивающие напряжения. Таким образом, для получения изделий полусухого прессования повышенной морозостойкости следует использовать добавки, позволяющие создать структуру с рациональной пористостью и достаточным количеством замкнутых пор.
В качестве такой добавки использовали кальцийсодер-жащие отходы производства минеральных удобрений [2].
Установлено, что экономически и технологически оправданным содержанием минеральной добавки в гли-номассе является 5 мас. %. Данная концентрация при равномерном распределении добавки в пресс-порошке, как в крупных, так и в мелких зернах, обеспечивает высокие прочностные показатели и повышенную морозостойкость изделий [3].
В данной статье приводятся результаты, полученные с использованием широко распространенных в керамиче-
ском производстве легкоплавких монтмориллонито-гидрослюдистых сырьевых материалов 5 месторождений: Россошанского (Воронежская обл.), Султан-Салынского, Кагальницкого-3, Атюхтинского (Ростовская обл.) и Светлоярского (Волгоградская обл.) [4]. Минеральную добавку применяли без какой-либо подготовки. Отдозированные компоненты (табл. 1) тщательно перемешивали. Полученную шихту доувлажняли и на шнеко-вом лабораторном прессе формовали гранулы, которые подсушивали до 9—10% и подготавливали пресс-порошок. Из пресс-порошка формовали образцы для физико-механических испытаний. Основные показатели обожженных образцов представлены в табл. 1.
В процессе проведения экспериментальных работ установлено, что минеральная добавка позволяет в 5—30 раз увеличить морозостойкость, на 30% повысить прочность обожженных образцов, практически не оказывая влияния на водопоглощение и среднюю плотность.
Проведенный на приборе NETZSCH STA 449 Jupiter дериватографический анализ показал, что количество и температуры термических эффектов у масс с добавкой и без добавки одинаковы, однако у модифицированной массы площадь эндоэффекта с максимумом при температуре 870оС больше, что связано с диссоциацией вводимого карбонатного материала. Кроме этого увеличивается экзоэффект при 940оС, что, вероятно, обусловлено образованием новых кристаллических фаз.
Изучение минералогического состава керамического камня на дифрактометре ДРОН-7 показало, что в обеих пробах основными минералами являются кварц, гематит и анортит. В образцах, содержащих минеральную добавку, количество анортита увеличивается, кро-
Таблица 1
Наименование сырья и его содержание Удельное давление прессования, МПа Температура обжига, оС Средняя плотность, кг/м3 Прочность, МПа Водо-поглощение, % Морозостойкость, циклы
Глинистое сырье, мас. % Минеральная добавка, мас. % при сжатии при изгибе
Россошанское, 100 - 25 1000 1910 36,7 6,3 13,7 4
Россошанское, 95 5 25 1000 1900 46,2 7,1 12,6 212
Султан-Салынское, 100 - 25 1050 1930 37,6 10,1 12,4 12
Султан-Салынское, 95 5 25 1050 1864 48,3 12,3 12,7 210
Светлоярское-2: глина - 60;супесь - 40 - 15 1020 1940 39,4 12,4 12 30
Светлоярское-2: глина - 60;супесь - 35 5 15 1020 1900 45 15,7 13,5 246
Кагальницкое-3, 100 - 20 1020 1834 31,7 11,8 13,6 2
Кагальницкое-3, 95 5 20 1020 1820 40,2 16,1 13,7 128
Шахтинское-1 (Атюхтинское), 100 - 25 1050 1895 27,8 8,9 12,5 9
Шахтинское-1 (Атюхтинское), 95 5 25 1050 1870 35,7 11,5 13 152
78
научно-технический и производственный журнал
май 2012
jVJ ®
Таблица 2
Наименование сырья и его содержание Удельное давление прессования, МПа Температура обжига, оС Пористость, %
Глинистое сырье, мас. % Минеральная добавка, мас. % Общая Открытая Капиллярная Резервная Закрытая
Россошанское, 100 - 25 1000 29,6 28,6 26,4 2,2 1
Россошанское, 95 5 25 1000 29,6 28,5 23,8 4,7 1,1
Султан-салынское, 100 - 25 1050 28,1 25,7 23,6 2,1 2,4
Султан-салынское, 95 5 25 1050 31,2 28,9 23,8 5,1 2,3
Светлоярское: суглинок - 60; супесь - 40 - 15 1020 26,3 25,1 21,7 3,4 1,2
Светлоярское: суглинок - 60; супесь - 35 5 15 1020 32,4 31,1 25,9 5,2 1,3
Кагальницкое-3 ,100 - 20 1020 29,1 28 26 2 1,1
Кагальницкое-3,95 5 20 1020 32 30,9 26,5 4,4 1,1
Шахтинское-1 (Атюхтинское), 100 - 25 1050 27,8 25,8 23,5 2,3 2
Шахтинское-1 (Атюхтинское), 95 5 25 1050 31,3 29,2 24,3 4,9 2,1
лярной пористости, в основном, также увеличиваются. На величину закрытой пористости добавка существенного влияния не оказывает. Объем же резервной пористости у обожженных образцов при введении минеральной добавки повышается в 1,5—2 раза.
С целью изучения процессов, происходящих в увлажненном материале под влиянием отрицательной температуры, были проведены дилатометрические исследования водонасыщенных керамических образцов, содержащих минеральную добавку и без нее. Как известно, дилатометрическая кривая выявляет характер пористости и является характеристикой морозостойкости [5].
Дилатометрические исследования проводили по методике, изложенной в работе [6].
На рис. 4 представлены графики деформаций (средние деформации из серии) при замораживании сухих, а также предварительно насыщенных водой образцов, изготовленных из россошанского глинистого сырья в чистом виде и с содержанием 5% минеральной добавки. Водонасыщенные образцы испытывали (замораживали и оттаивали) три раза подряд. После первого и второго замораживания образец погружали в воду на 24 ч.
При охлаждении сухих образцов (кривая 1) происходила их равномерная термическая усадка, на которой не наблюдалось аномалий. Кривая 2, описывающая деформации водонасыщенных образцов из сырья без добавки, показывает, что вначале происходит усадка изделий. В момент начала образования льда (при температуре -3 —4оС) в результате его расширения в образцах возникают напряжения растяжения, препятствующие усадке образцов, и при дальнейшем снижении температуры скорость деформации замедляется в сравнении с деформацией сухих образцов. В температурном интервале -10 —12оС происходил резкий подъем на дилатометрической кривой, что определяется как дилатометрический эффект [7]. После перехода основной массы воды в лед, при последующем охлаждении, образцы вновь сжимались.
Кривая 2', обозначенная пунктирной линией, характеризует деформации при оттаивании образцов, которые не восстановили прежних размеров, так как сохранили остаточное удлинение.
Наибольшее полное удлинение (е(), наблюдавшееся при замораживании водонасыщенных образцов, характеризуемое кривой 2, составило 32-10-5; пластическая часть полного удлинения (А.Яна кривой 2') равна 1,5-10-5.
ме того образуется новая кристаллическая фаза — геле-нит, что позволяет считать данную добавку модифицирующей, так как повышается содержание кристаллических фаз, способствующих увеличению прочности керамического камня.
Изменение микроструктуры черепка при введении модифицирующей добавки показано на рис. 1, а, б.
При электронно-микроскопических исследованиях (рис. 2, а, б) установлено, что в модифицированном черепке увеличено количество пор размером более 100 мкм.
Более высокое содержание крупных пор в модифицированном материале подтвердили также исследования полированной поверхности образцов с помощью оптического микроскопа (рис. 3, а, б).
Введение добавки несколько повышает объемы общей и открытой пористости у обожженных образцов из всех видов глинистого сырья (табл. 2). Объемы капил-
Рис. 1. Микроструктура черепка при введении модифицирующей добавки: а - образец без добавки; б - образец с добавкой. Увеличение 10000 крат
Рис. 2. Электронно-микроскопические исследования: а - образец без добавки; б - образец с добавкой. Увеличение 170 крат
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
май 2012
79
Рис. 3. Поверхность обожженного образца в отраженном свете (оптический микроскоп, увеличение 100 крат): а - без добавки, б - с добавкой (модифицированный)
20
I °0
-40
4.
5.
Рис. 4. Средние деформации образцов: 1 - сухих образцов; 2, 3, 4 -водонасыщенных образцов без добавки при охлаждении соответственно при 1-м, 2-м и 3-м замораживании; 2', 3', 4' - то же, при оттаивании; 5, 6, 7- водонасыщенных модифицированных образцов при охлаждении при 1-м, 2-м и 3-м замораживании; 5', 6', 7'- то же, при оттаивании
Характер хода остальных кривых, описывающих деформации водонасыщенных образцов, аналогичен только что рассмотренной кривой 2 — при замораживании и кривой 2' — при оттаивании.
Кривые 3 и 4характеризуют деформации водонасы-щенных образцов из чистого глинистого сырья при втором и третьем замораживании соответственно. С каждым циклом полное удлинение испытуемых образцов увеличивалось: на втором цикле составило 37-10-5, на 6. третьем — 46-10-5. Также возрастало остаточное удлинение: после второго цикла оно составило 2,5-10 , после третьего — 410-5. Накопление остаточных деформаций при циклическом замораживании является одной из главных причин растрескивания и разрушения водона-сыщенных материалов. 7.
Кривые 5, 6 и 7описывают температурные деформации водонасыщенных образцов с минеральной добав-
кой при первом, втором и третьем замораживании соответственно. Характерным для данных образцов является полная воспроизводимость дилатометрической кривой при первом и последующих циклах замораживания, а также постоянство скачка деформаций. Полное удлинение образцов составило 15-10 при отсутствии остаточной деформации. Это свидетельствует о стабильности сложившейся структуры модифицированного образца, способной сопротивляться многократным циклам замораживания и оттаивания.
Уменьшение в 2 раза относительного удлинения при замораживании и отсутствие пластической деформации после оттаивания водонасыщенных образцов, содержащих минеральную добавку, свидетельствует о более благоприятной пористой структуре материала в отношении морозостойкости, в сравнении с образцами без добавки, и их способности сопротивляться многократным циклам замораживания и оттаивания.
Проведенные исследования показали, что введение кальцийсодержащей минеральной добавки в глиномассу с предварительной пластической подготовкой и последующей грануляцией способствует формированию рациональной пористой структуры керамического черепка и увеличивает содержание кристаллических фаз, обеспечивающих повышение прочности обожженного материала, что предопределяет высокую морозостойкость изделий.
Полученные результаты были подтверждены при проведении испытаний в заводских условиях. При этом установлено, что при введении модифицирующей добавки морозостойкость кирпича повышается в 3,5—5 раз и составляет более 50 циклов.
Таким образом, проведенные исследования и положительные результаты полузаводских испытаний подтверждают принципиальную возможность изготовления лицевого морозостойкого керамического кирпича, модифицированного кальцийсодержащей минеральной добавкой.
Ключевые слова: морозостойкость, керамический черепок, полусухое прессование, резервная пористость, минеральная модифицирующая добавка.
Список литературы
Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики М.: Стройиздат, 1974. 315 с.
Гуров Н.Г., Наумов А.А., Иванов Н.Н., Гуров Р.Н. Положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение «Керамическая масса» по заявке № 2009139120/03 (055403) от 22.10.2009. Наумов А.А., Юндин А.Н. Увеличение морозостойкости кирпича полусухого прессования минеральной модифицирующей добавкой // Известия вузов. Строительство. 2011. № 8-9. С. 27-31. Гуров Н.Г., Наумов А.А., Иванов Н.Н. Пути повышения морозостойкости кирпича полусухого прессования // Строительные материалы. 2012. № 3. С. 40-42. Горчаков Г.И., Лифанов И.И., Терехин Л.Н. Коэффициенты температурного расширения и температурные деформации строительных материалов. М.: Стандартиз, 1968. 167 с.
Егерев В.М., Зотов С.Н. Взаимосвязь дилатометрических характеристик и степени водонасыщения керамического черепка при замораживании // Новые сырьевые материалы и отходы производства в технологии строительной керамики.: Тр. ин-та НИИстрой-керамика. М., 1986. Вып. 58. С. 30-36. Гиоргадзе Н.Н., Горчаков Г.И. Дилатометрические исследования компонентов легкого бетона // Строительные материалы. 1983. № 11. С. 27-28.
научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 1о май 2012 ЬШУЩ|С'
