CC BY
22
УДК 666.3:636.2
doi 10.24411/2221-0458-2022-90-06-16
ПОВЫШЕНИЕ ПОРИСТОСТИ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕНОВЫХ МАТЕРИАЛОВ С ВВЕДЕНИЕМ В СОСТАВ ШИХТЫ ФЕКАЛИЙ КРУПНОГО
РОГАТОГО СКОТА
Кара-сал Б.К., Иргит Б.Б., Сарыг-оол С.М., Сарыглар А.С.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
INCREASING THE POROSITY OF CERAMIC WALL MATERIALS WITH THE USE OF CATTLE FAECES
B.K. Kara-sal, B.B. Irgit, S.M. Saryg-ool, A.S. Saryglar Tuvan State University, Kyzyl
В работе отмечено, что повышение пористости керамических стеновых материалов обеспечивается технологическим путем создания пустот в процессе формования изделий и за счет выгорания органических веществ, введенных в состав шихты. Для получения керамических изделий с закрытой пористостью наиболее эффективным является введение в состав шихты выгорающих при обжиге компонентов, что обеспечивает равномерное распределение пор в структуре черепка. В качестве выгорающей добавки в работе рассмотрены фекалии крупного рогатого скота, которые в Республике Тыва являются отходами домашних животных. Исследование влияния фекального органического материала на свойства керамической массы показало, что благодаря наличию высококонцентрированных органических составляющих, фекалии повышают пластичность керамической массы, а также повышают прочность сырца за счет высыхания вязкой составляющей между твердыми частицами шихты. Выявлено, что введение в состав шихты 30% фекалий, повышает пористость обожженного при 1000 °С черепка с 22% до 41%. При этом в структуре керамического материала преобладают закрытые поры диаметром менее 5,0 мм. Установлено, что с увеличением содержания органической добавки повышается пористость черепка, уменьшается средняя плотность и прочность полученных изделий. Для обеспечения минимальной необходимой прочности (10 МПа) обожженного керамического материала, содержание фекалиевой добавки в составе шихты следует принимать в пределах 20-25 % в зависимости от качества глинистой породы.
Ключевые слова: керамические материалы; шихта; выгорающая добавка; фекалии; обжиг; свойства; пористость; прочность
It was revealed that the increase in porosity of ceramic wall materials is provided technologically by creating voids in the process of molding products and by burning out organic substances added to the charge. To obtain ceramic products with closed porosity, the most effective way is to add components that burn out during firing to the charge, which ensures a uniform distribution of pores in the structure of the shard. As a burnout additive, the faeces of cattle are considered in the work. The study of the effect of faecal organic material on the properties of the ceramic mass showed that due to the presence of highly concentrated organic components, faeces increase the plasticity of the ceramic mass, and also increase the strength of the raw due to the drying of the viscous component between the solid particles of the charge. It was revealed that the introduction of 30% of faeces into the charge increases the porosity of the burnt shard at 1000 ° C from 22% to 41%. At the same time, the structure of the ceramic material is dominated by closed pores with a diameter of less than 5.0 mm. It was found that the porosity of the shard increases with the growth in its content of organic additives, the average density and strength of the obtained products decreases. To ensure the minimum required strength (10 MPa) of the fired ceramic material, the content of the faecal additive in the composition of the charge should be taken in the range of 20-25%, depending on the quality of the clay rock.
Keywords: ceramic materials; charge; burn-out additive; faeces; firing; properties; porosity; strength
Керамический кирпич является одним из древних стеновых материалов наряду с природным камнем. Если камень создала природа, то кирпич является творением человека. Созданный более 7,5 тысяч лет назад, кирпич до сих пор остается лучшим стеновым материалом, который отличается различной окраской, мелкоштучностью при использовании, прочностью и
долговечностью, а также создает оптимальный микроклимат в помещении.
Кирпичу предъявляют два взаимоисключающих требования: высокая прочность и пористость. Как известно, высокая пористость материала снижает его прочность. Поэтому, необходима оптимальная пористая структура при обеспечении определенной прочности керамического материала.
В настоящее время пористость керамических стеновых материалов обеспечивается созданием технологических пустот в теле изделий. Практика выполнения кирпичной кладки показывает, что все пустоты наполовину или полностью заполняются цементно-песчаным
раствором, что снижает не только теплозащитные функции стеновой конструкции, но и вызывает перерасход раствора на 25-30%.
Наиболее эффективным способом повышения пористости керамических стеновых материалов является введение выгорающих добавок в состав масс [1]. Наиболее распространёнными видами выгорающих добавок, применяемых при производстве кирпича являются опилки, измельченный уголь, зола-узнос, пеностирольные гранулы [2, 3]. В то же время имеется множество органических веществ, которые в силу не изученности не применяются в производстве керамических изделий. К числу таких органических материалов, выгорающих при термической обработке, относятся фекалии, которые являются отходами домашнего скота. Имеющиеся объемы фекалий на сельской местности, на фермах и зимовке чабанов, вполне позволяют их использовать в качестве промышленного сырья
органического происхождения.
Целью данной работы является выявление влияния фекалий крупного рогатого скота на технологические свойства массы и на формирование пористой структуры и эксплуатационные свойства керамического стенового материала.
Объектами исследования выбраны легкоплавкая глина месторождения Сукпакское и фекалии крупного рогатого скота.
Глинистая порода месторождения Сукпакское имеет красно-коричневый цвет и рыхлую структуру. Объемная насыпная масса высушенной глины равна 1210 кг/м .
Исследованная глина имеет следующий химический состав (масс. %): SiO2 54,52; Al2Oз 13,64; ^ 0,81; Fe2Oз 6,22; CaO 7,09; MgO 0,42; ^О 1,88; Na2O 1,67; п.п.п. 9,18. Анализ химического состава показал, что глина отличается высоким содержанием железистых соединений ^^ более 6%) и щелочеземельных оксидов (CaO и MgO более 7%). Содержание щелочных легкоплавких элементов (£2О и более 3%, что считается средней величиной.
Главным породообразующим
глинистым минералом в сукпакской глине является монтмориллонит, который отличается тонкодисперсностью и высоким
содержанием химически связанной воды (п.п.п более 9%). Из других минералов в фазовом составе глины присутствуют кварц, ортоклаз, хлорит, кальцит и гидроксид железа. Выявлено, что содержание монтмориллонита в глине колеблется в пределах 32-36%, что является достаточно высокой величиной среди тувинских глинистых пород [4].
В гранулометрическом составе сукпакской глины присутствуют 34-38% глинистые частицы (размер частиц менее 0,005 мм), 38-42 % пылеватые и 28-33 % песчаные частицы. Следует отметить, что в зерновом составе сукпакской глины присутствуют мелкие и крупные частицы известняка, что снижает качество сырья.
Благодаря высокому содержанию глинистых частиц, сукпакская глина является очень пластичной, по сравнению с бий-хемским суглинком, на котором работают два кирпичных завода республики. Число пластичности сукпакской глины 16 и сырье относится к умеренно пластичным и средней чувствительности к сушке. Выявлено, что сукпакская глина отличается высокой связующей способностью, так как прочность при сжатии сырца 8-9 МПа, что считается достаточно высокой величиной в керамике. Глина имеет температуру огнеупорности 1220 °С и относится к
легкоплавким. Спекаемость глины хорошая, так как обожженный при 900 °С черепок имеет прочность при сжатии 24,4 МПа. К интенсивному спеканию черепка способствует умеренное содержание щелочных оксидов (К2О и №20), в химическом составе сырья. Интервал спекания глины-50-70 °С, что считается средним показателем. По своим технологическим характеристикам, сукпакская глина является лучшим сырьем в Центральной Туве.
Принятые в качестве выгорающей добавки-фекалии крупного рогатого скота представляют собой тёмно-жёлтую рыхлую массу, имеющую объемную насыпную массу в сухом состоянии 280 кг/м . В сухих фекалиях содержится 80-85% органических веществ и 15-20 % минеральных составляющих. Органическая часть фекалий представлена различными жирами, кислотами и растворимыми белками. В минеральную часть фекалий входят калий, известь, магний, фосфор и азот.
По физическому состоянию фекалии или экскременты характеризуются как гетерогенная полидисперсная суспенсия с квазипластическими свойствами. В свежих фекалиях или кале твердые минеральные частицы (дисперсная фаза) содержатся в водном растворе солей, кислот, жиров и
ISSN 2077-6896
щелочей, которые выступают как дисперсионная среда.
При выполнении работы использована следующая методика. Высушенные глина и фекалии измельчены в щековой дробилке и просеяны через сито с размерами ячейки 0,63 мм. Содержание органической добавки в составе шихты изменялось от 10 до 30% по объему, что равно 2,5-7,5% по массе. С добавлением воды и перемешиванием компонентов получены пластические массы, из которых изготовлены образцы-цилиндрики
диаметром и высотой 35 мм. Готовые образцы сначала высушены на воздухе, затем в сушильном шкафу при 100 - 105°С. Высушенные изделия обжигались в лабораторной электропечи в пределах 9001100 °С с изотермической выдержкой 1 ч. Диаметр и общий объем микро- и макропор в структуре образцов определены на установке ASAP фирмы Micromeritics (США). Технологические свойства масс и физико-механические свойства
обожженных изделий определены по стандартной методике [5].
Как показали результаты исследования, введение фекалий крупного рогатого скота в состав шихты существенно влияет на пластичность и формовочную способность массы. Эффективность органической добавки на изменение пластичности массы и регулирование ее коллоидно-химических свойств на изменение формуемости массы зависит от технологических факторов и структурно-фазовых свойств основных компонентов.
Выявлено, что чем больше содержание фекалий, тем больше количества воды для получения пластичной массы или повышается формовочная влажность шихты. Соответственно, увеличивается число пластичности массы. Если чистая сукпакская глина имела число пластичности 16, то при добавке 10%; 20% и 30 % фекалий данная характеристика увеличивается до 17%; 18,5% и 21% соответственно, что приведено в таблице 1.
Таблица 1. Технологические свойства масс и сырца
Состав масс Число пластичности Формовочная влажность, % Воздушная усадка, % Предел прочности при сжатии сырца, МПа
глина чистая 16 20 4,4 9,7
90 % глина + 10 % фекалии 17 21 4,8 10,4
80 % глина + 20 % фекалии 18,5 22 5,4 11,3
70 % глина + 30 % фекалии 21 23 6,1 12,2
Повышение пластичности масс с увеличением содержания фекалий связано с растворением белков, жиров и кислот в воде затворения, что образует на поверхности твердых частиц и глинистых минералов тончайшие упругие оболочки, которые придают скольжение частиц относительно друг друга. Такой же механизм пластичности глинистых минералов при взаимодействии с молекулами воды, где образующаяся на поверхности частиц гидратная оболочка обеспечивает пластичность массы. Значительное повышение числа пластичности массы при добавке фекалий более 30% вызывает вспучивание массы при выходе пластичной массы из формовочной установки, что связано с повышением вязкости глиноводной связки массы.
Увеличение формовочной влажнос-ти масс с 20% до 23% при повышении доли органической добавки вызвано
увеличением общей доли водопоглащаю-щих компонентов шихты, где определенная часть воды расходуется на растворение кислот, белков и жиров органической добавки.
Введение в состав шихты фекалий вызывает не только повышение пластичности массы, но и способствует увеличению связующей способности массы
при сушке. Выявлено, что после сушки сырец, содержащий органическую добавку, имеет повышенную прочность при сжатии (12,2 МПа), чем его аналоги из чистой глины (9,7 МПа). Вероятно, при удалении влаги, высыхающие глинистые минералы стягиваются к твердым песчаным и пылеватым частицам, тем самым обеспечивается прочное сцепление между компонентов сырца.
В то же время, с повышением доли органической добавки до 30 %, увеличивается величина воздушной усадки изделий с 4,4% до 6,1%, что свидетельствует о значительном уплотнении образцов при сушке с уменьшением линейных размеров и объема изделий.
Следует отметить, что в связи с повышением пластичности массы, при введении фекалий, данную органическую добавку лучше всего ввести в состав шихты на основе грубодисперсных суглинков, где наблюдается недостаточная пластичность и связующая способность массы.
Термическая обработка керамических изделий, проводимая для формирования необходимой структуры и повышения прочности материала, существенно влияет на изменение пористости обожженного черепка. С началом обжига в пределах 220-400 °С происходит выгорание введенной
органической добавки, что сопровождается интенсивным выделением газообразных веществ и с общим повышением пористости черепка. Результаты предварительного исследования с применением ртутной порометрии показали, что пористость необожженных
Выявлено, что в результате выгорания 10% органической добавки, пористость черепка в пределах 300, 500 и 700 °С увеличивается до 26%, 35% и 42 % соответственно. А при увеличении доли фекалий до 30%, при тех же температурах обжига, внутренняя пористость материала повышается 31,46% и 56 % соответственно.
Установлено, что максимальная пористость черепка при обжиге наблюдается в пределах 700 °С, так как до указанной температуры кроме разложения органических веществ, протекает дегидратация глинистых минералов и происходят модификационные превраще-
образцов из чистой сукпакской глины составляет 21-22%. В таблице 2 приведено изменение пористости образцов, содержащих фекалии в зависимости от содержания добавки и температуры обжига.
ния песчаных частиц. Эти процессы сопровождаются значительным разрыхлением черепка. Для сравнения следует отметить, что пористость образцов из чистой сукпакской глины после обжига при 700 °С равна 31%.
Изучение характера пор в черепке, обожженного с помощью электронного микроскопа показывает, что более половины пор (70%) являются открытыми и соединены между собой.
В области высоких температур 8001100 °С наблюдается постепенное уменьшение пористости материала, что связано с уплотнением черепка вследствие
Таблица 2. Изменение пористости образцов
Температура обжига, °С Пористость, в %, при содержании выгорающей добавки (по объему)
10 20 30
200 23 24 26
300 26 28 31
400 31 36 41
500 35 40 46
600 40 44 50
700 42 48 56
800 40 44 51
900 36 40 45
1000 30 35 41
1100 24 28 35
образования и накопления жидкой фазы, которая заполняет определенную часть пустот между твердыми компонентами. В результате интенсивного спекания керамической массы в пределах 1000-1100 °С, пористость черепка уменьшается от 4256% до 24-35% в зависимости от содержания выгорающей добавки. Уменьшение пористости черепка (от максимальной величины при 700 °С) наблюдается в пределах 37-42 %.
При исследовании морфологии пористой структуры черепка выявлено, что в структуре образцов преобладают поры размером менее 50 мкм. Установлено, что если в структуре черепка из чистой сукпакской глины, обожженного при 1000 °С, доля микропор составляет 78% из общего объема пор, то при введении 10%, 20% и 30% фекалий, объем микропор равняется 70%, 62% и 51% соответственно. Доля средних пор размерами 50-200 мкм с повышением доли выгорающей добавки увеличивается. Было выявлено, что с увеличением содержания фекалий в шихте от 0% до 10%, 20% и 30 % доля средних пор увеличивается от 14% до 19%, 23% и 29 % соответственно. Крупные поры с размерами более 200 мкм (0,2 мм) в структуре черепка незначительны. При введении 30% выгорающей добавки объем
крупных пор не превышает 15%. Следует отметить, что с увеличением содержания фекалий в структуре черепка повышается доля длинных вытянутых и сообщающихся пор, что в определенной мере нарушает равномерное распределение закрытых пор.
Введение в состав шихты фекалий крупного рогатого скота влияет не только на технологические свойства массы и на пористую структуру, но и на физико-механические характеристики обожженного керамического материала.
Анализ физико-механических свойств обожженных образцов, приведен-ных в таблице 3 показывает, что с увеличением количества вводимой органической добавки до 30%, средняя плотность изделий уменьшается с 1,81г/см до 1,32 г/см , при температуре обжига 900 °С, что связано повышением пористости черепка в результате выгорания фекалевых частиц.
С повышением температуры обжига средняя плотность образцов увеличивается в связи со спеканием массы, тем не менее, сохраняется общая тенденция повышения пористости обожженного материала. При максимальном содержа-нии фекалий до 30%, средняя плотность образцов обожженных при 1100 °С равна 1,40 г/см , что на 25% меньше, чем у их аналогов на основе чистой сукпакской глины.
Таблица 3. Физико-механические характеристики образцов
Содержание Температура Средняя Огневая Водо- Предел прочности
добавки, % обжига, °С плотность усадка, % поглощение, % при сжатии, МПа
(по объему) г/см3
900 1,81 4,8 16,2 29,4
0 1000 1,83 6,3 13,4 38,5
(чистая глина) 1050 1,84 7,2 12,1 41,7
1100 1,87 10,4 10,0 50,6
900 1,60 3,6 19,4 18,1
10 1000 1,61 4,7 18,1 19,7
1050 1,62 5,2 16,2 21,0
1100 1,65 7,0 12,8 24,6
900 1,48 2,5 22,5 11,3
20 1000 1,49 3,8 21,2 13,5
1050 1,51 4,2 19,9 14,9
1100 1,56 6,8 16,3 17,2
900 1,32 1,1 26,8 6,4
30 1000 1,33 2,4 25,3 8,8
1050 1,35 3,2 24,7 9,7
1100 1,40 5,1 20,4 11,2
Необходимо отметить, что в связи с введением в состав шихты органической добавки, увеличивается водопоглощение изделий. Выявлено, что если образцы на основе чистой сукпакской глины после обжига при 1000°С, имели водопоглощение 13,4%, то добавка 30% фекалий вызывает увеличение водопоглощения до 25,3%, что связано с повышением доли пор в структуре черепка, способных поглощать и удержать молекулы воды.
Соответственно, с увеличением общей пористости материала уменьшается прочность изделий. Установлено, что при добавке 30% фекалий, образцы, обожженные при 1000 °С, имеют прочность при сжатии 8,8 МПа, что в 4 раза меньше, чем прочность изделий, не содержащих выгорающую добавку (38,5 МПа).
Значительное снижение прочности материала при введении выгорающей добавки связано с увеличением пористости черепка и образованием тонких перегородок между пор, которые в силу незначительной толщины, не способны выдерживать большие нагрузки.
Таким образом, введение в состав керамической шихты фекалий крупного рогатого скота вызывает повышение пористости и водопоглощения изделий с уменьшением прочности при сжатии. Поэтому, чтобы изготовить изделия, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 5302012, содержание указанной выгорающей добавки следует ограничить в пределах 2025% (по объему), что позволяет получить керамические изделия прочностью более 10 МПа и пористостью 40-45%.
Следует отметить, что уменьшение средней плотности керамического материала с 1,87 до 1,40 г/см вызывает снижение теплопроводности черепка с 0,60
до 0,42 соответственно, уменьшается
толщина стен и расход материалов на 1 м2 ограждающей конструкции.
Библиографический список
1. Августиник, А. И. Керамика : монография / А. И. Августник. - Ленинград : Стройиздат, 1975. -592 с. - Текст : непосредственный.
2. Онацкий, С. П. Производство керамзита : монография / С. П. Онацкий. - Москва : Стройиздат, 1987. - 333 с. - Текст : непосредственный.
3. Павлов, В. Ф. Физико-химический основы обжига изделий строительной керамики : монография / В. Ф. Павлов. - Москва : Стройиздат, 1980. - 224 с. - Текст : непосредственный.
4. Кара-Сал, Б. К. Минеральное сырье Тувы для производства строительных материалов : монография / Б. К. Кара-сал. - Кызыл : РИО ТувГУ, 2009. - 162 с. - Текст : непосредственный.
5. Практикум по технологии керамики : учебное пособие / под редакцией И. Я. Гузмана. -Москва : ООО РИФ «Стройматериалы», 2005. -336 с. - Текст : непосредственный.
Практика показывает, что стены из однослойных пористых керамических изделий отличаются высокой
долговечностью, чем многослойные стены с утеплителем, где образуется конденсат, который увлажняет материалы, и при промерзании стен зимой происходит разрушение конструкции.
References
1. Avgustinik A. I. Keramika : monografija [Ceramics : monograph]. Leningrad, Strojizdat Publ., 1975. 592 p (In Russian)
2. Onatsky S. P. Proizvodstvo keramzita : monografija [Production of expanded clay : monograph]. Moscow, Strojizdat Publ., 1987. 333 p. (In Russian)
3. Pavlov V. F. Fiziko-himicheskij osnovy obzhiga izdelij stroitel'noj keramiki : monografija [Physico-chemical basics of firing of building ceramics products : monograph]. Moscow, Strojizdat Publ., 1980. 224 p. (In Russian)
4. Kara-Sal B. K. Mineral'noe syr'e Tuvy dlja proizvodstva stroitel'nyh materialov : monografija [Mineral raw materials of Tuva for the production of building materials : monograph]. Kyzyl, TuvSU Publ., 2009. 162 p. (In Russian)
5. Praktikum po tehnologii keramiki : uchebnoe posobie [Workshop on ceramics technology : textbook]. Ed. by I. Ya. Guzman. Moscow, Strojmaterialy Publ., 2005. 336 p. (In Russian)
Кара-сал Борис Комбуй-оолович, доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство и жилищно-коммунальное хозяйство», Тувинский государственный университет, г. Кызыл, Россия, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Иргит Байлак Борисовна, преподаватель кафедры «Строительство и жилищно-коммунальное хозяйство», Тувинский государственный университет, г. Кызыл, Россия, email: bailak93@mail.ru
Сарыг-оол Сайлык Маар-ооловна, старший преподаватель кафедры «Общеинженерные дисциплины», Тувинский государственный университет, г. Кызыл, Россия, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Сарыглар Айлан Шолбановна, аспирант второго года обучения, кафедра «Строительство и жилищно-коммунальное хозяйство», Тувинский государственный университет, г. Кызыл, Россия, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Boris K. Kara-sal, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Construction, Housing and Communal Services, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Bailak B. Irgit, Lecturer at the Department of Construction, Housing and Communal Services, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: bailak93@mail.ru
Sailyk M. Saryg-ool, Senior Lecturer at the Department of General Engineering Disciplines, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Ailan Sh. Saryglar, Graduate, Department of Construction, Housing and Communal Services, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: silikat-tgu@mail.ru
Статья поступила в редакцию 14.02.2022
