CC BY
56
УДК 666.3: 691.4
П. Г. Козлов, В. Т. Станевич, В. И. Данилов, Б. Ч. Кудрышова
Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар
ВОДНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ВЯЖУЩИЕ СУСПЕНЗИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Статья посвящена вопросам получения опытной водной керамической вяжущей суспензии для изготовления высокоэффективных пористък материалов в строительной индустрии.
Ключевые слова: вяжущие суспензии, высокоэффективные пористые материалы, строительная индустрия.
Как известно, древнейшим видом вяжущего являются глины природного происхождения, на основе которых изготавливается различного вида керамика от обычного строительного кирпича до фаянсовых и фарфоровых изделий. Однако в конце XX века и начале XXI появились принципиально новые связки техногенного происхождения (которые были названы тоже керамическими), создаваемые на основе минералов оксидного состава (кремнеземистых, алюмосиликатных, цирконовых и т. д.) [1,2]. Эти, т. н. водные керамические вяжущие суспензии (ВКВС) представляют из себя минеральные водные системы, полученные путем механохимической обработки природных или техногенных материалов (в т. ч. и отходов), в процессе которой происходит образование коллоидного компонента (золя) и обеспечивается механохимическая активация частиц дисперсной фазы. В зависимости от вида обрабатываемого материала рН дисперсионной среды может изменяться от 4-5 до 10-12. Твердение наиболее распространенных ВКВС кремнеземистого и алюмосиликатного составов (как и многих других) основано на явлении поликонденсации [2].
Основой вяжущих свойств ВКВС является наличие в них коллоидного компонента (золя), механизм действия которого обусловлен существованием у дисперсной частицы коллоидного раствора двойного электрического слоя (ДЭС), современная теория которого базируется на положениях, разработанных Гуи, Чепменом и Штерном [3]. Устойчивость и коагуляция дисперсных систем и керамических суспензий в том числе зависят от взаимодействия частиц между собой или с какими-либо макроповерхностями, что определяет также адгезию частиц и структурообразование в дисперсных системах. Это положение является одним из основных в теории устойчивости и коагуляции дисперсных систем (теория ДЛФО), учитывающей электростатическую составляющую расклинивающего давления (отталкивание) и его молекулярную составляющую (притяжение), сформулированную впервые Б. В. Дерягиным и Л. Д. Ландау. Одним из главных условий твердения керамических суспензий является существование в них полиядерных комплексных соединений и связанной полярной жидкости, которые определяют природу взаимодействия частиц дисперсной фазы. Свежеобразованная
(в результате механохимической обработки) поверхность их содержит активные центры различной природы, возникающие из-за координационной и валентной ненасыщенности поверхностных атомов и ионов. Характерной особенностью получаемого таким образом материала после его низкотемпературной сушки является абсолютная влагостойкость, свидетельствующая об образовании в системе кристаллизационных (полимеризационных) контактов и высокая механическая прочность образцов. Обычно получают т.н. высококонцентрированную суспензию с содержанием твердого 0,65-0,75 [1], в которой при структурировании дисперсной системы (в соответствии с учением П. А. Ребиндера) существенную роль играют частицы измельчаемой твердой фазы.
В нашей работе [4] концентрация твердого в суспензии была значительно меньшей (порядка 0,25-0,30) т. к. в этом случае механохимически обрабатывался изначально тонкодисперсный материал кремнеземистого состава (с удельной поверхностью более 20 мм2/г) и важным являлось образование коллоидного компонента, ультрадисперсные частицы которого играют решающую роль в упрочнении системы. Нашли, что в этом случае требуется незначительная (по времени) механическая активация твердой фазы, поскольку микрочастицы такого материала (в его исходном состоянии) уже обладают большой поверхностной энергией, при этом «наработка» коллоидного компонента, в основном, происходила во время т.н. стабилизации суспензии за счет растворения твердой фазы с образованием поликремниевых кислот.
Проведенные исследования изменения вязкости опытной ВКВС с малой долей твердого показали, что она обладает достаточно четко выраженной тиксотропией, поскольку по мере увеличения сдвиговой деформации наблюдается значительное падение вязкости, которое затем изменяется по асимптоте, а по истечении времени возвращается к исходному с определенным гистерезисом.
Определение характеристик опытной суспензии показало, что плотность ее составляет 1,35-1,40 г/см3, вязкость 1,2-1,56 Па-с, рН=10-12. Это жидкость темно-серого цвета, негорюча, экологически безвредна (имеется гигиенический сертификат), хранится в железной (стальной) или пластмассовой таре, обладает универсальными свойствами клея-связки [4].
Использование керамических технологий началось в 60-е годы XX века, наиболее значимыми являлись изделия, используемые в космосе, как плотные, так и пористые, причем пористость последних может достигать 95 % [2]. Со временем такие технологии стали применяться в огнеупорной и металлургической промышленности, на их основе получают, в основном, неформованные огнеупоры (огнеупорные бетоны, торкрет-массы, набивные массы, массы для защитных покрытий и др.) [5]. Американская компания «Magneco/Metrel» разработала «.. .семейство неформованных, не содержащих цемент огнеупоров по технологии коллоидно-гелевой суспензии с включением коллоидного кремнезема» [6].
Для пористых (теплоизоляционных) материалов характерным является относительно малая механическая прочность. Если они применяются по прямому назначению - в кладке печей с целью уменьшения потерь тепла, то
эта характеристика не играет особого значения. Однако, если такие материалы используются при строительстве зданий, особенно жилых домов, то от них требуется повышенная прочность. Обычно применяемые в строительной индустрии ячеистые бетоны не всегда отвечают возросшим требованиям, предъявляемым к ним в настоящее время. Особенно интересным в этом отношении является строительство т. н. каркасных жилых зданий, в которых стены уже не являются несущими, однако их по традиции выполняют из обычного плотного строительного кирпича. На смену ему в этом случае должен придти легкий материал, обладающий в то же время более высокой механической прочностью по сравнению с применяемыми в настоящее время ячеистыми бетонами.
Как известно, материал, полученный с использованием в качестве связующего ВКВС, уже после низкотемпературной сушки (температура 140-150 °С) обладает значительной механической прочностью [1]. Эта особенность позволила разработать энерго - и ресурсосберегающую технологию изготовления пористого материала, в котором в качестве заполнителя используются дисперсные промышленные отходы, например бой огнеупорного (шамотного) кирпича. Полученные изделия (кирпич или блок) обладают более высокой механической прочностью по сравнению с аналогичной продукцией из неавтоклавного ячеистого бетона. Так, например, образцы из опытного материала при плотности его 900 кг/м3, что соответствует по этому показателю конструкционно -теплоизоляционным изделиям из указанного ячеистого бетона (в соответствии с ГОСТ 25485-89), имели прочность на сжатие 10-11 МПа, в то время как у такого бетона она может быть не более 5 МПа, как это указано в ГОСТ 25485-89.
В разработанной технологии используется химический метод образования пор, при этом вследствие протекающей экзотермической реакции сырьевая смесь разогревается до 40-50 оС и происходит интенсивное газовыделение с образованием пор размером до 3 мм. Необходимую прочность и абсолютную влагостойкость полученный материал приобретает после низкотемпературной сушки при температуре порядка 140-150 оС. Разработанная технология производства пористых материалов может быть использована также при получении таких изделий как кабельные (и иные) проходки через стены, перегородки и перекрытия, а также герметичные кабельные вводы. В этом случае высокие прочность и влагостойкость не являются определяющими факторами [7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Пивинский, Ю. Е. Керамические вяжущие и керамобетоны. - М. : Металлургия,1990. - 272 с;
2 Бородай, Ф. Я. Керамические материалы на основе оксида кремния // Стекло и керамика. 1992. - № 4. - С. 24-26;
3 Фролов, Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы.Уч. для вузов. - М. : Химия, 1998. - 464 с.
4 Пат. РФ № 2144552. МКИ 7 С 09 J 1/ 02 Способ получения силикатного клея - связки / Черепанов К. А., Полубояров В. А., Черепанов А. Н., Черепанова В. К., Ушакова Е. П. № 98106273 / 04 Заявл. 08.04.98; Опубл. 20.01.2000, Б.И. №2.
5 Черепанов, К. А., Черепанова, В. К. Керамические неформованные материалы из отходов металлургической промышленности на основе тиксотропных сырьевых смесей // Изв. вузов.Черная металлургия. - 2003. - № 2. - С. 65-66.
6 Парк, Д. Бесцементные материалы на коллоидно-кремнеземистой связке: новый подход к огнеупорам // Сталь. - 2005. - №8. - С. 39-41.
Материал поступил в редакцию 15.12.14.
П. Г. Козлов, В. Т. Станевич, В. И. Данилов, Б. Ч. Кудрышова
Кеуект1 материалдардыц енд1ру кез1ндег1 сулы керамикалык байланысты|.^ыш суспензиялар
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к.
Материал 15.12.14 баспаFа тYстi.
P. G. Kozlov, V. T. Stanevich, V. I. Danilov, B. C. Kudrysheva
Water-based ceramic binder suspension in the process of manufacturing cellular material
S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar.
Material received on 15.12.14.
Мацалада минералды сулы жуйе pemiHde келетт сулы керамикалыц байланыстыреыш суспензиялар (СКБС) царастырылган. Оларды табиги не meхногeндi материалдар нeгiзiндe механикалыц-химиялыц вндеу жолымен алынатын урдктде коллоидmi компонeнmi пайда болады жэне диспepсmi фаза бвлшектертщ механикалыц-химиялыц активациясымен цамсыздандырылады.
The authors considered water-based ceramic binder suspension (WCBS), represent mineral water system end product using mechanochemical processing natural or man-triggered materials, in course of which the formation is under way of colloidal part (sols) and mechanochemical activation of particulate of discontinuous phase is achieved.
In this technology used chemical method of pore formation, wherein ensuing proceeds of exothermal reaction raw mix warm up and happen intensive gas evolution with pore formation.
