CC BY
29А.В. Череватова, Э.О. Гащенко Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова
СТРОИТЕЛЬНЫЕ НЕОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ ВКВС КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
В представленной работе описан способ получения безобжигового многослойного строительного материала на основе ВКВС кремнеземсодержащего сырья с применением механизма УХАКС-уп-рочнения. Экспериментально установлен оптимальный режим упрочнения. При получении материалов на основе ВКВС впервые предоставилась возможность изготовить высокоплотный материал уже на стадии формования.
В результате проведенного комплекса работ, получен новый материал, который является универсальным, так как совмещает в себе различные виды стенового строительного материала и представляет собой многослойный блок. Способ формования (вибропрессование) позволяет получать данный вид материала без дополнительного усложнения технологии.
В связи с возрастающими требованиями к физико-техническим свойствам керамических изделий, а также истощением природных месторождений высококачественного сырья, важное значение приобретает использование новых нетрадиционных видов минеральных ресурсов и промышленных отходов.
На сегодняшний день в огнеупорной промышлен-
ности получила широкое распространение технология производства огнеупорных материалов и изделий основанная на применении высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий (ВКВС), позволяющая получить высококачественные изделия. Неоднократно возникал вопрос о расширении сферы применения ВКВС.
В Белгородском государственном технологическом университете были проведены предварительные исследования по возможности использования ВКВС в производстве строительных материалов. Итог этих исследований: разработка целого ряда строительных материалов с улучшенными эксплуатационными хар актери-стиками, полученные по традиционным технологиям; а так же создание новой технологии [1,2].
Получение высококонцентрированной керамической вяжущей суспензии (ВКВС) основано на обнаруженной способности, традиционно считавшихся инертными кремнеземистых и алюмосиликатных материалов (кварциты, кварцевые пески и алюмосиликатные породы) образовывать вяжущие суспензии в результате механо-химической активации в промышленных помольных агрегатах. Отличительный признак ВКВС: наличие в системе частиц нано-уровня (менее 0,1мкм: порядка 1-5%). Последующее твердение ВКВС обусловлено способностью кремнийсодержащих связок к полимеризации. Полимеризация связана с образованием силоксановых связок: = 81 - О - 81 = и последующим удалением воды.
В данной работе рассмотрена возможность получения многослойных (многофункциональных) материалов с применением технологии ВКВС. Получаемый материал является универсальным, так как совмещает в себе различные виды стенового строительного материала и представляет многослойный блок, состоящий из трех основных функциональных слоев: внешний слой с лицевой поверхностью, имеющий высокие прочностные характеристики, соответствующий по атмос-феро- и морозостойкости стеновым материалам, средний - теплоизоляционный слой, внутренний плотный слой с лицевой декоративной поверхностью, играющий также роль конструкционного материала.
В качестве кремнеземистого сырья для получения вяжущего были использованы природные и искусственные кварцевые пески, отходы обогащения каолина, бой алюмосиликатных огнеупоров и другие материалы, содержащих не менее 60% 81О2.
В качестве заполнителя для функциональных слоев использованы преимущественно техногенные отходы промышленности строительных материалов: бой облицовочной плитки, бой керамического кирпича, отходы керамзитового производства и т.д., а также природное кремнеземистое сырье (пески, кварцитопесчан-ники). Заполнителем для теплоизоляционного слоя может служить любой из известных легких или ультралегких органических или минеральных заполнителей, например: измельченный пенополистирол, древесные опилки, гранулированное пеностекло, керамзит и т.д. Дополнительно в формовочные массы, в качестве армирующего материала может быть введено измельченное стекловолокно (аналог фибробетона).
Содержание вяжущего в системе от 15 до 30%, в зависимости от вида заполнителя.
ВКВС кремнеземистого состава готовили путем мокрого помола в шаровой мельнице методом поста-дийной загрузки измельчаемого материала.
Выбор концентрации системы на первом этапе измельчения осуществлялся с учетом коэффициента упаковки исходного материала и других его характеристик, а также габаритных размеров мельницы. На первой стадии помола обычно вводят всю жидкость, рассчитанную по конечной концентрации суспензии. Продолжительность этой стадии процесса в зависимости от многих фактор ов колеблется в пределах 1 - 5 часов. Степень дисперсности при этом должна быть такой, чтобы средний размер частиц был, по крайней мере, в 10 - 20 раз меньше размера вводимого при очередной загрузке материала [3]. Оптимальные результаты, как правило, могут быть получены в том случае, когда на первой стадии помола достигается дисперсность, характеризуемая значительным (до 20 - 40%) содержанием частиц фракции менее 5 мкм. В этом случае суспензия является как бы сжатой, ускоряющей процесс последующего измельчения после введения очередной порции материала.
При постадийной загрузке материала по мере повышения объемной концентрации уменьшается эффективная плотность мелющих тел и существенно возрастает влажность. Благодаря постепенному понижению объемного содержания жидкости увеличению сил трения возрастает температура процесса, которая в значительной степени определяет реологические свойства системы непосредственно в процессе измельчения, а также свойства ВКВС после измельчения. Так, с ростом температуры значительно уменьшается как общая вязкость системы, возрастает ее текучесть, так и дила-тантные свойства, что позволяет вести процесс помола при повышенных концентрациях.
В работе были использованы кремнеземистые ВКВС, имеющие следующий уровень дисперсности: 5
- 20 мкм 20 - 40%, 20 - 50 мкм 12 - 30%, 50 - 100 мкм 1
- 25%, 1 - 5 мкм - остальное.
Заполнитель подбирался в зависимости от назначения функционального слоя.
В экспериментальной части представленных исследований отработаны десятки различных составов и функциональных композиций.
Например, разработан многослойный материал (свойства которого по функциональным слоям приведены в таблице 1), где в качестве заполнителя для основного слоя использован кварцевый песок, для лицевого слоя бой керамической плитки, бой керамического кирпича, отходы ПСМ, для теплоизоляционного слоя: керамзит или древесные опилки, стружки или же измельченный пенополистирол.
Заполнитель для получения многослойного материала готовили посредством дробления помола и рассева с выделением различных групп фракций: 3 - 5 мм; 0 - 3 мм. Он имел следующий фракционный состав, мас.%: 3 - 5 мм не более 60 %, 0 - 3 мм - остальное.
Такой практический подбор фракционного состава заполнителя обусловлен тем, что при величине зерен, превышающей 5 мм, нарушаются физико-механические свойства материала, что ведет к неоднородности формовочной смеси и ухудшению качества материала.
Более тонкий помол заполнителя на качество материала не влияет, однако при этом требуется больший расход вяжущего, увеличивается масса, что является нетехнологичным и, в конечном итоге отрицательно сказывается на качестве изделия.
Формовочную массу готовили в специальных смесительных бегунах при следующем соотношении компонентов (по сухому веществу):
ВКВС (связующая система) 20 - 30%
Заполнитель 80 - 70%
Формование производили методом вибропрессования в металлических формах послойно при амплитуде 0,5 - 2 мм и частоте 50 Гц; давление прессования при этом составляло 0,005 - 0,01 МПа.
Формовочная влажность массы от 5 до 10%. После формования изделие подвергали сушке при температуре 80 - 120°С.
В данной работе, для большинства материалов применялась дополнительная операция по упрочнению, она заключалась в выдержке высушенного материала в щелочной среде.
Сущность нового технологического принципа получения безобжиговых керамических материалов, основанного на «эффекте холодного спекания», состоит в том, что сформованный и высушенный полуфабрикат выдерживают в жидких средах, химически активных по отношению к керамическому компоненту, с последующей сушкой или гидр отерм альной обработкой. Таким образом, достижение эксплуатационной прочности в таком материале является результатом упрочнения химическим активированием контактных связей (УХАКС) [4].
При получении материалов на основе ВКВС впервые предоставилась возможность изготовить высокоплотный материал уже на стадии формования, что в сочетании с упрочнением по УХАКС-механизму позволило приблизить технологию производства строительных материалов на основе ВКВС к таковой на основе традиционных вяжущих веществ (т.е. минуя процесс обжига)[4].
Основные элементы способа УХАКС включают: формование полуфабриката с достаточно высоким значением плотности и прочности, выбор химически активной среды (вид и концентрация добавки, рН) и режима упрочнения (продолжительность и температура), сушку.
В экспериментальной части работы, в качестве щелочной среды применялся раствор жидкого стекла (Ыа28103) с плотностью: 1,06 - 1,08 г/см3. Продолжительность операции упрочнения от 0 (окунание, смачивание) до 30 - 60 минут, в зависимости от вида изделий.
Полуфабрикат, подвергаемый упрочнению по рассматриваемому механизму, обладает капиллярно-пористым строением, развитой поверхностью раздела и повышенной межфазной энергией на поверхности тон-коизмельченных частиц (последнее связано с дефектностью структуры). Благодаря этому обеспечивается сравнительно быстрый процесс насыщения материала
раствором и повышенная реакционная способность системы, определяющая кинетику и степень упрочнения. Процесс упрочнения существенно ускоряется по мере повышения дисперсности частиц твердой фазы. Следует отметить, что только по разработанной технологии удалось в достаточной степени активизировать кристаллический SiO2 с тем, чтобы получить на его основе водостойкий материал после формования. Как отмечается в литературе [5], тонкодисперсный кристаллический кремнезем, даже при давлении прессования 200 МПа не образует водостойкого материала.
Было изучено влияние механизма УХАКС-упроч-нения на основные технологические и физико-механические показатели изделий. Рассмотрен механизм кинетики упрочнения, установлены оптимальные его параметры.
В данном опыте характеристики: водопоглощение, пористость и кажущаяся плотность не определялись. Критерием является лишь предел пр очности при сжатии. Как показывают данные, простое окунание в упрочняющий раствор, дает увеличение max прочности образцов в 1,5 раза. Максимальная прочность образцов достигается через 5 часов выдержки в растворе.
Упрочнение в течение 1 часа позволяет получить образцы с прочностью более 90% от max. При этом значительно сокращается время производственного цикла. На рисунке 1 показана кривая роста max прочности при различном времени упрочнения.
Кривая роста max прочности при различном времени упрочнения
90 -70 -50 30
У
£ о
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 время упрочнения, час
4,5 5
Рис. 1
По результатам проведенных испытаний физико-механических и эксплуатационных характеристик образцов многослойного строительного материала можно сделать вывод о достаточно высоком уровне технологичности и технико-эксплуатационных свойств получаемых материалов.
В представленной работе описан способ получения безобжигового многослойного строительного материала на основе ВКВС кремнеземсодержащего сырья с применением механизма УХАКС-упрочнения. С целью улучшения технико-эксплуатационных свойств получаемых ВКВС и в конечном итоге изделий на их основе, в исходную суспензию вводились модифицирующие добавки (глинистый конгломерат, комплексные дефлок-кулянты), позволившие успешно применить способ гидравлического прессования при формовании и последующую высокотемпературную обработку (обжиг) нового вида строительных материалов.
ю
00
Таблица 1
НЕКОТОРЫЕ СОСТАВЫ, ПАРАМЕТРЫ СПОСОБА И СВОЙСТВА ГОТОВЫХ МНОГОГОСЛОЙНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ (210/105/65 ММ) И СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ ( 50/50/50 ММ) НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ СУСПЕНЗИИ КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Ьэ
съ о
ж
к «
Наименование Изделия Состав изделия по функциональным слоям ПАРАМЕТРЫ СПОСОБА СВОЙСТВА ИЗДЕЛИЙ
Номер примера Соотношение: заполнитель/ связужующее Влажность связующего,% Формовочная влажность массы,% Время упрочнения, мин Плотность р-ра жидкого стекла, г/см3 Концентрация модифицирующей добавки, % Плотность относительная, кг/м3 Пористость, % Водопоглощение, % Предел прочности на сжатие, МПа Морозостойкость, Циклов
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Безобжиговое многослойное строительное изделие Связующее: модифицированная высконцентрированная суспензия кремнеземсодержащего сырья с содержанием частиц размером 5 - 20 мкм 20 - 50%. Заполнитель для несущего функционального слоя: кварцевый песок. Заполнитель для функционального теплоизоляционного слоя: измельченный пенополистирол 1 15/85 13,5 4,7 30 1,06 0,07 1650 20 10 14 75
2 15/85 20,0 5,9 30 1,08 0,02 1660 19 9,6 14,5 75
3 15/85 12,0 4,0 30 1,08 0,1 1610 23,6 12 9,8 75
4 24/76 13,5 5,8 30 1,07 0,07 1780 16,5 8,3 16,5 100
5 24/76 13,5 5,8 60 1,07 0,07 1790 16,1 8,1 18,2 100
6 24/76 13,5 5,8 1 1,07 0,07 1760 16,9 8,5 14,0 75
7 30/70 13,5 6,5 30 1,07 0,07 1900 15 7,5 16,5 100
Отличие: в качестве заполнителя для функционального теплоизоляционного слоя: использовалась смесь керамзита и керамзитового боя. 8 24/76 20 8,2 30 1,07 0,05 1820 17 8,5 18,9 100
Окончание таблицы 1
Ьэ
съ о
10
11
12
13
14
Отличие: в качестве заполнителя для функционального теплоизоляционного слоя: использовались древесные стружки.
24/76
20
7,5
30
1,08
0,05
1800
15,8
7,9
14,8
100
ю
о
М
и
о р
о н
«
о
л
я и
л
и
л
е
д
з и
Связующее: модифицированная высконцентрированная суспензия кремнеземсодержащего сырья с содержанием частиц размером 5 - 20 мкм 20 - 50%. Заполнитель для несущего функционального слоя: кварцевый песок;
Заполнитель для функционального теплоизоляционного слоя: измельченный пенополистирол. Заполнитель для лицевого слоя: смесь: бой керамического кирпича + плиточный бой.
10
15/85
13,5
4,8
30
1,07
0,07
1700
19,5
9,5
15,2
100
11
24/76
13,5
30
1,08
0,07
1820
18,6
9,8
16,4
100
12
30/70
13,5
6,2
30
1,07
0,07
1900
16,2
17,5
150
б о
м
о н й о
л
о н н а в
о р
и
д
з и
т и
о р
т
Связующее: модифицированная высконцентрированная суспензия кремнеземсодержащего сырья с содержанием частиц размером 5 - 20 мкм 20 - 50%. Заполнитель для несущего функционального слоя: кварцевый песок, измельченное стекловолокно* Заполнитель для функционального теплоизоляционного слоя: измельченный пенополистирол.
13
15/75/10
13,5
5,9
30
1,08
0,07
1800
19,3
9,7
19,5
100
14
24/66/10
13,5
7,2
30
1,07
0,07
1900
18,7
9,4
26,7
150
15
30/60/10
13,5
7,7
30
1,06
0,07
1950
15,6
30
100
Отличие: Заполнитель для несущего функционального слоя: кварцевый песок, измельченное стекловолокно**.
16
24/56/20
13,5
7,4
30
1,08
0,07
1870
18,2
9,1
28,2
150
* - содержание в формовочной системе 10% армирующего материала (измельченного стекловолокна).
** - содержание в формовочной системе 20% армирующего материала (измельченного стекловолокна).
£
3
4
5
6
7
8
9
1
2
9
Разработанный способ позволяет создать прочную переходную межслоевую контактную зону уже на стадии изготовления изделия, которая позволяет исключить возможность расслоения при формовании изделия, что способствует образованию бездефектной монолитной структуры многослойного изделия. В результате эти изделия имеют боле высокий уровень технологичности и технико-эксплуатационных свойств. Предложенные способы формования позволяют получать данные изделия без дополнительного усложнения технологии. При этом способ обладает пониженной энергоемкостью, экологической безопасностью, простотой технологического цикла. Кроме того, возможно использование дешевого, доступного сырья, а также сырья техногенного происхождения, а в качестве заполнителя зернистого материала с низкой объемной массой.
Модифицируя ВКВС, меняя способ формования, вид заполнителя, его фракционный состав, а также характер последующей технологической обработки, на небольших промышленных площадях, с минимальны-
ми финансовыми затратами становится возможным одновременное получение нескольких видов современных строительных материалов, имеющих отличие по конечному функциональному назначению, и основным физико-механическим характеристикам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:
1. Череватова А.В., Пивинский Ю.Е. и др. Способ изготовления строительных изделий. Патент РФ N° 2074146 // Официальный бюллетень «Изобретения», 1997, № 6. С. 152.
2. Шаповалов Н.А., Череватова А.В., Слюсарь А.А. и др. Возможность получения высокодисперсного отощающего компонента для тонкокерамических систем. // «Химия и химическая технология», 2004, том 47, вып. 2. С. 14 - 17.
3. Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и керамобетоны / Ю.Е. Пивинский - М.: Металлургия, 1990. - 270с.
4. Пивинский Ю.Е. Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров. Том 1./ Ю.Е. Пивинский - С-Петербург: Стро-ийздат. 2003. - 544 с.
5. Щелочные и щелочно-щелочеземельные гидравлические вяжущие и бетоны. / Под ред. В.Д. Глуховского.- Киев. 1979. -232 с.
