CC BY
63
Влияние рентгеноаморфных фаз керамогранитного черепка на прочностные свойства изделий
А.В. Верченко
Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И.Платова, г.Новочеркасск
Аннотация: в статье рассматривается зависимость механической прочности на изгиб керамического гранита от содержания и вида фаз, слагающих его черепок. Установлено, что высокие прочностные характеристики изделий достигаются за счет повышенного содержания суммы кристаллических фаз и стеклофазы. Увеличение же количества метакаолинита в составе керамогранитного черепка, напротив, ведет к снижению его прочности.
Ключевые слова: керамический гранит, структура, кристаллическая фаза, рентгеноаморфная фаза, стеклофаза, прочность на изгиб
В последнее время в гражданском строительстве наблюдается увеличение спроса на изделия тонкой и архитектурно-строительной керамики [1]. В условиях конкурентной борьбы на рынке строительных материалов необходимо, чтобы свойства отечественных материалов комплексно удовлетворяли предъявляемым к ним высоким эксплуатационным требованиям [2].
Фазовый состав керамики играет исключительно важную роль в формировании эксплуатационных свойств получаемых керамических изделий [3-5] . Выявление фундаментальных зависимостей свойств керамических изделий от их фазового состава, а также умение управлять этими свойствами является одной из актуальнейших задач научных исследований в настоящее время. В керамическом граните весьма важную роль в его прочности, наряду с кристаллическими играют и рентгеноаморфные фазы- непрореагировавший метакаолинит и стекло, образовавшееся из расплава при охлаждении. Их роль неодинакова, противоречива и мало изучена [6-9].
В данной работе приведены исследования зависимости механической прочности на изгиб и истинной плотности образцов керамического гранита
(таблица 1), полученного из различных шихтовых составов разработанных автором [10], от его фазового состава, установленного методами рентгенофазового и петрографического анализа (таблица 2).
Анализ прочности и плотности исследуемых образцов, в зависимости от влияния на них кристаллических и индивидуально каждой из рентгеноаморфных фаз позволили установить следующие закономерности.
В составе керамогранита 0, на основе огнеупорной глины ДН-2 и щелочного каолина, с использованием в качестве плавня полевого шпата, формируется черепок с высокой плотностью 2,53 г/см3 и высокой прочностью на изгиб 51,90 МПа. Это обусловлено образованием в структуре образца повышенной суммы кристаллических фаз 21,0% и стеклофазы 55,0% с относительно невысоким содержанием псевдокристаллического аморфизированного метакаолинита 24,0%.
Таблица 1. Механическая прочность на изгиб и истинная плотность образцов
Наименование свойств Показатели свойств черепка, составов
0 2 9 9.3
Механическая прочность, оизг, МПа 51,90 68,97 50,20 56,42
3 Истинная плотность черепка, г/см 2,53 2,58 2,45 2,49
Таблица 2. Фазовый состав образцов
Номер шихты Содержание, % по массе
Кристаллические с азы Рентгеноаморф
в- кварц в- кристобалит Муллит Гематит I Стекло фаза Мета-каоли
0 8,0 8,0 4,0 1,0 21,0 55,0 24,0
2 7,0 7,0 4,0 1,5 19,5 66,0 14,5
9 4,0 2,0 5,0 1,5 12,5 57,5 30,0
9.3 3,0 2,0 5,0 3,0 13,0 64,0 23,0
Образец керамогранита 2, в составе шихты которого глинистая часть не менялась по сравнению с базовым образцом, а был лишь заменен полевой шпат на цеолитовый туф, по структуре и свойствам в общем аналогичен базовому. Однако в его структуре повышенное количество стеклофазы 66,0% и наименьшее количество 14,5 % метакаолинита обусловило наибольшую прочность на изгиб 68,97 МПа и наивысшую истинную прочность черепка 2,58 г/см . Повышение механической прочности и истинной плотности обданного образца свидетельствует об эффективности применения цеолитового туфа в качестве керамического плавня.
На этом примере зависимости плотности структуры и прочности керамогранита от содержания кристаллических фаз и от соотношения рентгеноаморфного стекла и оставшегося свободным псевдокристалического аморфизированного метакаолинита убедительно подтверждается значение стеклофазы, образовавшейся из жидкой фазы и выполняющей роль связи всех фаз в единый композит, в повышении прочности керамики. При этом, чем меньше в структуре керамики метакаолинита, тем выше её прочность, как это имеет место в твёрдом фарфоре.
Эта закономерность влияния различных фаз и особенно рентгеноаморфных на структуру и прочность керамогранита справедлива и при анализе образцов 9 и 9.3, полученных из других составов шихт. В этих составах количество глинистого вещества в шихте было увеличено на 30%, за счет уменьшения содержания керамического плавня, в роли которого в образце 9 выступает цеолитовый туф, а в образце 9.3 цеолитовый туф совместно с габбро-диабазом (при соотношении цеолита к габбро-диабазу 10:15).
В этих образцах структура керамогранита существенно изменилась по сравнению с образцом 0. Сумма кристаллических фаз резко снизилась до 12,5-13,0%, количество стеклофазы увеличилось до 57,5 и 64,0%, а
количество метакаолинита составило 30,0% и 23,0% соответственно. Изменению фаз закономерно соответствует и изменение свойств: уменьшение количества кристаллических фаз, а также повышение содержания метакаолинита в образце 9 до 30,0% обусловило снижение плотности керамогранита до 2,45 г/см и снижению его механической прочности до 50,2 МПа. Снижения количества кристаллических фаз и практически равном содержании метакаолинита в образце 9.3 привело к снижению истинной плотности образца до 2,49 г/см3, однако за счет увеличения содержания стеклофазы до 64,0% механическая прочность на изгиб даже увеличилась в сравнении с образцом 0.
Исключительно важным выводом для этих образцов является следующее. Снижение суммы кристаллических фаз вполне объяснимо увеличением в шихтах 9 и 9.3 количества глины что обусловливает повышенным содержанием метакаолинита, лишь часть которого уменьшилась за счёт образования муллита, а большая часть осталась свободной. В образце 9.3 пониженное содержание 23,0% метакаолинита объясняется снижением вязкости образовавшейся жидкой фазы, в которой растворилась часть метакаолинита, что подтверждается увеличением количества стеклофазы.
В результате проведенного исследования установлена особенность формирования общей структуры керамического гранита путем обволакивания его частиц жидкой фазой, и превращении в единый композит повышенной прочности при охлаждении и затвердевании жидкой фазы. Выявлена закономерность влияния различных фаз и особенно рентгеноаморфных, на структуру и прочность керамогранита с различным составом шихт. Установленно, что прочность готовых изделий на изгиб повышается с увеличением количества кристаллической и стекловидной фаз. Причём, даже при значительном уменьшении суммы кристаллических фаз в
структуре керамогранита, высокие показатели его прочности на изгиб обеспечиваются повышенным содержанием стеклофазы. Метакаолинит же, напротив, снижает прочность керамики в следствие своей аморфной, псевдокристаллической структуры.
Литература
1. Котляр В. Д., Лапунова К.А., Терёхина Ю.В. Перспективы производства фигурного керамического кирпича на основе опок // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/946
2. Набокова Я.С. Эффективные строительные материалы и способы возведения зданий // Инженерный вестник Дона, 2008, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2008/96
3. Рыщенко М.И., Федоренко Е.Ю., Чиркина М.А. Микроструктура и свойства низкотемпературного фарфора // Стекло и керамика. 2009. № 11. С. 26-29
4. Боркоев Б.М. Изучение структуры и свойств фарфора низкотемпературного обжига // Международный журнал экспериментального образования. 2012. № 6. С. 98- 100
5. Romagnoli, M., 2005. Optimizing stain resistance in tile. American Ceramic Society Bulletin, 4: 9301-9304.
6. Салахов А.М., Салахова Р.А. Керамика вокруг нас.- М.: РИФ «Стройматериалы». 2008.- 160 с.
7. Baucia Jr, J.A., L. Koshimizu, C. Giberton and M.R. Morelli, 2010. Estudo de fundentes alternativos para uso em formulaçoes de porcelanato. Cerámica, 56: 262-272.
8. Позняк А.И., Левицкий И.А., Баранцева С.Е. Базальтовые и гранитоидные породы как компоненты керамических масс для плиток внутренней облицовки стен // Стекло и керамика. 2012. № 8. С. 17-22.
9. Gacki, F., 2011. Selected application properties of gres porcellanato tiles. Materialy ceramiczne (Ceramic materials), 2: 301-309.
10. Зубехин А.П., Верченко А.В., Галенко А. А.. Получение керамического гранита на основе цеолитсодержащих шихт // Строительные материалы. 2014. №4. С.52-54
References
1. Kotlyar V.D., Lapunova K.A., Terekhina Yu.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/946.
2. Nabokova Ya.S. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2008, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2008/96.
3. Ryshchenko M.I., Fedorenko E.Yu., Chirkina M.A. Steklo i keramika. 2009. № 11. pp. 26-29.
4. Borkoev B.M. Mezhdunarodnyy zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniya. 2012. № 6. pp. 98- 100.
5. Romagnoli, M., 2005. American Ceramic Society Bulletin, 4: 93019304.
6. Salakhov A.M., Salakhova R.A. Keramika vokrug nas [Ceramics around us]- M.: RIF «Stroymaterialy», 2008. 160 p.
7. Baucia Jr, J.A., L. Koshimizu, C. Giberton and M.R. Morelli, 2010. Ceramica, 56: 262-272.
8. Poznyak A.I., Levitskiy I.A., Barantseva S.E. Steklo i keramika. 2012. № 8. pp. 17-22.
9. Gacki, F., 2011. Materialy ceramiczne [Ceramic materials], 2: 301309.
10. 7иЬекЫп А.Р., УегЛепко Л.У., Оа1епко А.А. БйюкеГпуе та1епа1у. 2014. №4. рр.52-54.
