CC BY
36УДК 691.316
Г.В. КУЗНЕЦОВА ([email protected]), инженер, Р.М. НУГМАНОВ, студент
Казанский государственный архитектурно-строительный университет (420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1)
Роль технологических факторов в формировании цвета силикатного цветного кирпича
Перевод действующей линии по производству силикатного неокрашенного кирпича на производство цветного кирпича имеет свои особенности, пренебрежение которыми влечет появление некачественной продукции. Своеобразие технологического процесса, планировка цеха, наличие скозняков и холодное время года приводят к потери цвета на поверхности кирпича. В статье описаны результаты исследования причин образования белых потеков на кирпиче, изготовленно по технологии объемного окрашивания гашеной формовочной смеси. Показано влияние климатических условий цеховых помещений на температуру формовочной смеси и кирпича-сырца поэтапно и изменение ее во времени. Приведены результаты исследования и роль температуры цветного кирпича-сырца, извести, конденсата пара в автоклаве на первой стадии запаривания цветного кирпича-сырца.
Ключевые слова: окрашенный в массе силикатный кирпич, формовочная смесь, пигмент, кирпич-сырец, температура силикатной смеси.
G.V. KUZNETSOVA ([email protected]), Engineer, R.M. NUGMANOV, Student
Kazan State University of Architecture and Engineering (1, Zelenaya Street, 420043, Kazan, Russian Federation)
Role of Technological Factors in Formation of Colour of Silicate Coloured Brick
The conversion of an operating line for production of silicate non-coloured brick for producing coloured brick has its own peculiarities; neglect of them leads to the off-grade brick output. The originality of the technological process, workshop layout, the presence of draughts and cold season lead to the loss of color on the surface of the brick. The article contains the study of reasons for formation of white runs on the brick produced according to the technology of volumetric coloration of a slaked molding mix. The influence of climatic conditions in workshop premises on the temperature of the molding mix and adobe brick stage-by-stage and the temperature change during the time are shown. Results of the study and the role of temperature of colored adobe brick, lime, steam condensate in the autoclave at the first stage of steam curing of colored adobe brick are presented.
Keywords: mass-colored silicate brick, molding mix, adobe brick, silicate mix temperature.
Цветной кирпич в настоящее время широко применяется в российском строительстве [1, 2]. Увеличенный спрос на цветную продукцию привел к развитию технологии производства цветного силикатного кирпича. На первый взгляд несложная технология порой вызывает массу вопросов у технологов. Существующие линии, на которых много лет производился белый силикатный кирпич, не всегда позволяют получить хороший окрашенный цветной кирпич. Развитие технологии цветного силикатного кирпича привело многих производителей к ряду проблем, на которые при производстве обычного силикатного кирпича не обращали особого внимания. Например, после тепловой обработки вдруг обнаруживается ослабление цвета, белый налет на поверхности, внутренние и внешние слои пачки кирпича с белыми потеками (кирпич «плачет»), изменение цвета (рис. 1).
Более внимательный осмотр белого кирпича также выявляет потеки, но на белом фоне заметить это можно только при хорошем освещении, т. е. при ярком солнечном свете (рис. 2).
Первые исследовательские работы, проведенные в нашей стране по окрашиванию силикатных материалов, относятся к 1936—1939 гг. Работы эти, носившие
прикладной характер, показали возможность получения цветного силикатного кирпича при введении в массу природных красок и различных промышленных отходов. Более детальные исследования были выполнены в 1956—1962 гг. Л.Г. Гулиновой, Б.Н. Виноградовым, Е.П. Сидоровым, М.С. Шварцзайдем. Краски вводили в сырьевую смесь. В качестве красителей использовали щелочестойкие пигменты, устойчивые в условиях автоклавной обработки.
Установлено, что при увеличении удельной поверхности пигмента с 5 до 15 тыс. см2/г предельное количество пигмента для получения наиболее насыщенной окраски составляет 3,3%, для пигментов с удельной поверхностью 20 тыс. см2/г — 2,5%. Введение пигментов в количестве 1—10% повышает среднюю плотность кирпича на 1—3,5%; заметное влияние на прочность кирпича оказывает доля пигментов более 2—3%. Введение пигмента в количестве 1—5% не оказывает влияния на морозостойкость. Данные выводы не учитывают способа окрашивания смеси. Схемы введения окрашивающих материалов приведены Л.М. Хавкиным [3].
В настоящее время цветной кирпич получают способом объемного окрашивания силикатной смеси.
Рис. 1. Изменение внешнего вида цветного кирпича
fj научно-технический и производственный журнал
®
Рис. 2. Изменение внешнего вида белого кирпича после автоклавной обработки
Объемное окрашивание смеси на российских заводах выполняют как до гашения, так и после гашения известково-песчаной смеси. Содержание пигмента зависит от того, на какой стадии технологического процесса его вводят в силикатную смесь, и от его красящей способности. Пигмент используют в виде порошка или водной суспензии. Практически на большинстве заводов прочно прижилась технология с использованием железоокисного пигмента-порошка.
При приготовлении формовочной смеси количество извести контролируется химическим путем. В качестве индикатора щелочной среды используется 0,1% раствор фенолфталеина красного цвета; введение пигмента в смесь затрудняет этот анализ и, как правило, его не делают на окрашенной смеси.
На заводах переход с выпуска кирпича одного цвета на другой при технологии окрашивания смеси до гашения приводит к большому объему очистных работ, большим потерям смеси и поэтому второй способ окрашивания смеси — после гашения получил большее распространение. Ликвидация переходных (очистных смесей) с силосов привела к появлению нового вида продукции — так называемого мраморного кирпича.
В технологии окрашивания гашеной смеси нет проблем с проведением химического анализа смеси и нет необходимости очищения силосов для перехода на выпуск кирпича другого цвета. Окрашивание смеси производится централизованно в стержневых смесителях и затем направляется на все прессы, либо окрашивается индивидуально перед каждым прессом в специальном смесителе.
Химические свойства пигментов определяются их химическим составом, поэтому химический состав пигментов является одним из основных показателей для оценки свойств и качества пигментов. По химическому составу к пигментам обычно предъявляют ряд требований. Прежде всего они должны быть нерастворимы в воде, свето- и щелочеустойчивы; обладать высокой красящей способностью; не должны менять окраску после автоклавной обработки и при эксплуатации; не содержать примесей, вредно влияющих на процесс автоклавной обработки. Большинство красителей — это оксид железа, и отличаются они только формой поставки. Порошковые красители поставляются в биг-бэгах или бумажных мешках по 20—25 кг [4].
80
Рис. 3. Температура смеси и кирпича-сырца в точках замера: 1 - выгрузка смеси из силоса; 2 - повторная обработка (смеситель лопастной для неокрашенной смеси и смеситель стержневой для подготовки цветной смеси); 3 - смеси в питателе пресса и питателе смесителя перед окрашиванием; 4 - кирпича-сырца при снятии с пресса; 5 - кирпича-сырца верхнего ряда на запарочной вагонетке при загрузке в автоклав; 6 - кирпича-сырца нижнего ряда на запарочной вагонетке при загрузке в автоклав
В желтом железоокисном пигменте содержится 86% Ре(ОИ)2; в красном — 95% Ре203; в коричневом — 85% Ре203 и 14% БеО; в черном - 72-74% Ре203 и 18-20% Без04 [5].
Ряд пигментов производится из отходов промышленности. Присутствие в составе таких пигментов сульфатов, свидетельствующих об их невысоком качестве, положительно влияет на процесс автоклавного твердения. Изделия приобретают достаточно высокую прочность, но при этом образуется белый налет на кирпиче.
Формовочная смесь, прошедшая стадию гашения извести в силосах-реакторах с выделением тепла, характеризуется повышенной температурой, приобретенной в процессе гашения смеси. Такая смесь (50-70оС) при обычном формовании поступает в расходный бункер пресса и затем на пресс.
В технологии цветного кирпича горячая смесь после гашения смешивается с пигментом - порошком, который имеет температуру места хранения, как правило цеха, а в отдельных случаях уличную. Следует отметить, что в летнее время в прессовых цехах российских заводов, как правило, гуляет сквозняк, а в зимнее время холодно. Транспортные системы имеют очень большую протяженность (до километра). Температура в помещениях колеблется от +20оС летом до +10оС зимой. Разбавление горячей массы более холодной, даже в малом количестве, приводит к снижению температуры горячей массы. При дальнем транспортировании от силоса-реактора смесь поступает на участок окрашивания остывшей. Температура формовочной смеси, поступающей в расходный бункер пресса, будет зависеть от технологии изготовителя, расположения участка гашения смеси (силосов) и формовочного отделения, а также от климатических условий в цехах.
Выгружаемая горячая смесь из силосов быстро остывает, так как большую долю в смеси составляет песок. Песок обладает хорошей теплопроводностью и теплоемкостью, но малой теплоудерживающей способностью. При продвижении по технологии температура снижается с 72 до 21оС. На рис. 3 приводится график изменения температуры неокрашенной и окрашенной смеси и кирпича-сырца по технологии. Остывание зависит от температурных условий цеха.
Для экономии цветные смеси готовят на исходных смесях меньшей активности [5]. В данном случае для белого кирпича использовалась формовочная смесь активностью 7,8%, для цветного - формовочная смесь активностью 6,8%. Температура смеси с меньшим содержанием извести меньше или сразу снижается при выгрузке из силоса реактора. Время изготовления пачки кирпича-сырца зависит от конструкции пресса и количества одновременно прессуемых изделий. Как правило, это время составляет 8-20 мин. За это время нижний ряд кирпича-
^ о
Рис. 4. Изменение температуры сырца по времени от момента формования:
- белый, верхний ряд; -белый, нижний ряд; - цветной, верхний ряд;
- цветной, нижний ряд
Рис. 5. Схема движения воздушного потока в открытом автоклаве
сырца остывает. Этот процесс прогрессирует со временем. Температура за время формовки меняется у неокрашенного кирпича с 45 до 40оС, через 30 мин составляет 38 и 28оС, через 1 ч — 23 и 20оС. У цветного за время формования и съема со стола пресса — с 42 до 38оС; через 30 мин - 35оС и 20оС и через 1 ч - с 20оС до 15оС. Графически данные замеры представлены на графике (рис. 4).
Процесс остывания кирпича-сырца продолжается при длительном нахождении в цехе до приобретения им температуры окружающей среды. Технология цветного кирпича предусматривает постановку кирпича в течение 30 мин в автоклав. Цветной кирпич-сырец при постановке в автоклав имеет температуру верхнего ряда 35оС, нижнего ряда 20оС. Приведенные замеры характерны для близкого расположения автоклавов к выкатным воротам, обеспечивающим протяжку холодного воздуха. Температура внутри автоклава перед запариванием колеблется в зависимости от времени года, типа автоклава, близости его расположения относительно выкатных ворот. В автоклав происходит затягивание холодного воздуха и вытеснение горячего. Проходящий поток охлаждает нижние ряды и подогревает верхние (рис. 5). Нижние ряды имеют более светлый тон или белеют совсем.
Замеры, произведенные в осеннее время года до наступления заморозков, показали, что температура верхней и нижней частей автоклава отличается и зависит от режима работы автоклава (см. таблицу).
В среднем температура автоклава составляет 65оС, температура запарочной вагонетки — 15оС [3]. Так как температура поверхности изделий на первом этапе ниже температуры водяного пара, на этом этапе развивается максимальный температурный перепад между средой и
Автоклав Температура, оС
верх низ
Пустой неработающий 13 13
Сквозной открытый 68 30
Тупиковый открытый 70 50
Закрытый с законченным циклом 112 90
л
о
0,19 0,18 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 1 0,11 И 0,1
о 0,09 н 0,08 я 0,07
0 06
0,06 0 10 20 40 50 80 100 оС
Рис. 6. Изменение растворимости гашеной извести в зависимости от температуры
поверхностью изделия, равный 30-50оС. При поступлении насыщенного пара он омывает сырец, вагонетки и стенки автоклава и смешивается с находящимся там воздухом. На этом этапе пар интенсивно отдает теплоту, и эффективность его как теплоносителя повышается по мере увеличения давления, что обусловлено ростом его теплосодержания (энтальпии).
По мере прогревания кирпича зона увлажнения будет продвигаться внутрь кирпича-сырца и послойно по рядам при плотной упаковке.
Нагрев холодного кирпича-сырца проходит по законам массообмена и конденсации пара на поверхности изделий. Количество тепла, выделяющегося при конденсации пара на элементе поверхности, соответствует количеству тепла, отводимого через пленку посредством теплопроводности. Кроме физических свойств конденсата на теплоотдачу влияет шероховатость стенки, положение ее в пространстве и размеры стенки. Теплоотдача от конденсирующегося пара осуществляется, как правило, в условиях пленочной конденсации. На вертикальной поверхности с увеличением высоты стенки пленка конденсата утолщается книзу. Стекание пленки (ручейки) происходит под действием силы тяжести. Чем больше разница температур сырца и теплоносителя, тем больше образуется конденсата на поверхности.
Одним из свойств пигментов является нерастворимость в воде. Растворимость извести при 20°С выше, чем при 40°С [6] (рис. 6).
Окрашенное тесто распределяется в пустотах зерен песка, а на границе с формовочными пластинами наблюдается сосредоточение большего количества теста.
Рис. 7. Поверхность прессованного образца на границе с формой, увеличение Х500
Рис. 8. Ручейки известковых потеков на цветном кирпиче, увеличение Х500
Рис. 9. Следы от конденсата и растворенной извести на поверхности кирпича
Поверхность кирпича представляет бугорки и ямки. Структура материала на границе с формой показана на рис. 7.
При повышении температуры в автоклаве соприкасающаяся с паром поверхность сырца имеет температуру паровой среды, а более глубокие слои — соответственно меньшую. При обычном процессе запаривания белого кирпича с низкой температурой конденсат вытекает из пор в виде капель или ручейков с уже растворенной известью. На цветном образце при увеличении х500 (рис. 8) на поверхности кирпича видны ручейки известковых потеков между пигментными зернами.
На образце неокрашенного кирпича явно видны следы потеков известкового раствора на вертикальной поверхности и следы лужицы из конденсата на горизонтальной поверхности (рис. 9).
Растворимость Са(ОН)2 с повышением температуры снижается, так как процесс СаО + Н20 = Са(ОН)2 обратимый [7]. Можно предположить дальнейший переход извести в гидросиликаты (рис. 10).
На поверхности кирпича это проявляется в виде рисунка, похожего на белый горошек, ручейки, лужи, или могут быть видны следы полного покрытия поверхности. Такие явления наблюдаются чаще в холодное время года. Чем холоднее кирпич-сырец, тем больше вероятность конденсации пара на его поверхности и,
Список литературы
1. Семенов А.А. Анализ состояния российского рынка силикатного кирпича // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 4-6.
2. Семенов А.А. Состояние российского рынка силикатных стеновых материалов // Строительные материалы. 2013. № 12. С. 9-12.
3. Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. М.: ЭКОЛИТ, 2011. 384 с.
4. Бабель А. Дозирование и подача пигментов при окрашивании силикатного кирпича на ООО «Борс-кий силикатный завод» // Строительные материалы. 2013. № 9. С. 14-21.
5. Кузнецова Г.В., Хозин В.Г. Влияние пигментов на свойства силикатной формовочной смеси при окрашивании гашеной смеси // Строительные материалы. 2012. № 9. С. 25-28.
6. Рабинович В.А., Хавин В.Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия, 1991. 432 с.
7. Кузнецова Г.В., Санникова В.И. Влияние условий тепловлажностной обработки на качество цветного силикатного кирпича // Строительные материалы. 2010. № 9. С. 36-39.
Рис. 10. Кристаллы известкового ручейка, увеличение х1000
как следствие, появление следов ручейков, луж и др. на поверхности кирпича. Как правило, такие явления отсутствуют в летнее, теплое время года.
Проведенные исследования причин и механизмов образования белых пятен и ручейков на цветном кирпиче позволяют сделать следующие выводы:
— пигменты, вводимые в формовочную смесь, приводят к снижению температуры смеси;
— температура смеси зависит от активности смеси;
— температура свежесформованного кирпича-сырца падает со временем;
— скорость снижения температуры сырца пропорциональна климатическим условиям цеха;
— холодный цветной кирпич-сырец чувствителен к нагреванию;
— чем ниже температура сырца, тем больше максимальный температурный перепад между паровой средой и поверхностью изделия;
— чем больше максимальный температурный перепад между средой и поверхностью изделия, тем больше конденсата образуется на поверхности изделия, тем больше растворимость извести в воде конденсата;
— большое количество конденсата на поверхности приводит к образованию известковых ручейков на вертикальной поверхности и слоя известкового раствора на горизонтальной поверхности.
References
1. Semenov A.A. The analysis of state of the russian silicate brick market. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 9, pp. 4-6. (In Russian).
2. Semenov A.A. State of the Russian market of silicate wall materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials] 2013. No. 12, pp. 9-12. (In Russian).
3. Khavkin L.M. Tekhnologiya silikatnogo kirpicha [Technology silicate brick]. Moscow: EKOLIT. 2011. 384 p.
4. Babel A. Dosing and delivery of pigments for dyeing of silicate brick at "Borsky Silikatny Zavod" Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 9, pp. 14-21. (In Russian).
5. Kuznetsova G.V., Khozin V.G. Influence of pigments on properties of slaked silicate moulding mix. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2012. No. 9, pp. 25-28. (In Russian).
6. Rabinovich. V.A. Khavin V.Ya. Kratkii khimicheskii spravochnik. [Short chemical reference book]. Leningrad: Khimiya. 1991. 432 p.
7. Kuznetsova G.V., Sannikova V.I. Influence of hydrothermal treatment on quality of colored silicate brick. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 9, pp. 36-39. (In Russian).
40
сентябрь 2014
iA ®
