Krasnoyasrk, Krasnoyarsk, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
In modern conditions, clay raw materials of fine-grained structure are used for the production of building ceramics. The task of using coarse non-traditional non-plastic components in the compositions of ceramic masses and the choice of rational sizes of their grains is relevant. The exclusion of pre-grinding determines the reduction of energy costs and, as a result, the cost of finished products. The paper offers an optiom of using diopside concentrate of various grain sizes in compositions with minor additions of clay and sodium silicate solution. The problems of stress development at the interface of grain and ligament contact, which in case of a negative outcome do not make it possible to obtain a strong structure of a ceramic shard, are solved. The presence of an insignificant voltage formed as a result of the relationship between the diopside and the forming glass phase is revealed, this does not prevent the consideration of the probability of obtaining a ceramic material. The study of the behavior of ceramic samples containing diopside of different granulometric composition when adding a solution of sodium-silicate glass after molding and firing shows the effectiveness of using diopside concentrate in 100-150 microns. Contacts of this size of diopside are wrapped in liquid glass during molding. A glass phase is formed when fired. In this case, the diopside is partially melted, but it is preserved and exists as an independent unit. A smaller grain size during sintering requires more glass phase, which leads to structural stresses, and with a larger size, not enough glass phase is formed and the strength of the material is significantly reduced. When studying the influence of grain size on the properties of the sample, the results of water absorption indicators of 7 %, mechanical compressive strength – 36 MPa, bending strength-17 MPa are obtained. It is found that the dispersion of diopside in 100–150 microns allows to develop a technology for the use of coarse-grained raw materials in the ceramic mass
dispersion, diopside concentrate, clay, sodium-silicate glass, water absorption, strength.
Введение.
Проблема истощения месторождений глин и суглинков, применяемых в производстве строительных облицовочных керамических материалов стоит достаточно остро. В связи с чем поиск нового вида сырья является актуальной задачей. В последнее время все чаще ученые начали обращать внимание на местные нетрадиционные сырьевые ресурсы, в частности на непластичные кварц, полевой шпат, волластонит, диопсид и др.
Известно, что получение керамического материала на основе техногенного и природного сырья с упрочненной структурой возможно при добавлении в составы волластонита до 10 %. Огневая усадка в отличие от изделий с привычными компонентами снижается до 1-4 %, а прочность при сжатии возрастает и составляет от 35 МПа до 50 МПа [1].
Применение непластичного сырья в композициях керамических масс дает возможность уменьшить толщину облицовочных плиток на 30 % и как следствие сократить потребление сырья до 20 %, топлива, и повысить объемы производства. При этом результаты значений физико-механических свойств после прессования и обжига достаточно велики. Необходимо отметить, что при увеличении содержания непластичного сырья в составе керамической массы механическая прочность при изгибе возрастает на 35 % и 50 % после формования и сушки соответственно. Усадка таких изделий после обжига минимальна, она составляет 0,2-0,3 % [2].
Введение непластичного сырья, в частности волластонита месторождения Кaрa-Кoрум при минимальном содержании оксидов железа, титана и щелочных металлов в керамическую массу в количестве 20 % после обжига при температуре 1100 оС возможно получение облицовочной плитки с высокими показателями прочности при изгибе (90 МПа), усадкой 4 %, термостойкостью 190 оС, водопоглощением 3% [3].
Таким образом, введение в составы керамических масс непластичных материалов позволяет при уменьшении температуры обжига значительно снизить усадку изделий, повысить прочностные характеристики. В связи с чем появляется вероятность получения крупноразмерных плит.
Традиционно измельчение непластичного сырья в композициях с глиной методом мокрого помола осуществляется до размера зерна в 60 мкм.
Авторами [4-6] решены вопросы применения непластичных компонентов в составах с глинистым сырьем с предельно допустимой дисперсностью зерна. Таким образом, при 0,5-1,25 мм кварцевого зерна, 1,25-3 мм полевых шпатов, 3-5 мм шлака получены образцы с высокими эксплуатационными свойствами. При расчете температурных напряжений со значением связки до 40 % выявлено, что напряжения, соответствующие 10-30 % устойчивы для получения прочной керамики.
Получен керамический материал в композицию которого входили грубозернистые массы при размере зерна 2,5-3 мм непластичного природного и техногенного сырья (кварц-полевошпатовый сорский песок, зола, шлак) с высокими физико-механическими свойствами. Вследствие увеличения зерна до 5-10 мм, толщина изделия была увеличена в 2 раза, а показатели прочности при изгибе и сжатии составили 31 МПа и 290 МПа соответственно, значение морозостойкости показало более 50 циклов [7].
В данной работе решались задачи использования грубодисперсного непластичного сырья в качестве основного компонента в керамической массе и его влияние на свойства материала.
Материалы и методы.
Исследовались образцы керамических масс, отличающихся процентным наполнением компонентов, которые распределились следующим образом: М1 – 75 % диопсид [8], 15 % жидкое стекло, 10 % глина; М2 – 80 % диопсид, 10 % жидкое стекло, 10 % глина; М3 – 80 % диопсид, 15 % жидкое стекло, 5 % глина; М4 – 85 % диопсид, 15 % жидкое стекло [9-10].
Диопсидовый концентрат – основное звено в композиции. Это продукт обогащения Бурутуйского месторождения Слюдянской группы Южного Прибайкалья [11]. Является видом минерального непластичного сырья, отличается высокими физико-механическими характеристиками, в том числе прочностными и диэлектрическими, оказывает сопротивление воздействию кислот, солей, газов, щелочей. Его добавка в керамические массы снижает температуру обжига до 1000 °С [12-13].
Глина Компановского месторождения присутствовала для обеспечения пластичности. Является высокодисперсной каолинитовой с примесью монтмориллонита, характеризуется как тугоплавкая, среднепластичная, термически устойчива и обладает высокой связующей способностью.
Раствор из силиката натрия, обеспечивал работу плавня. Имеет степень силикатного модуля равный 3, по виду щелочного катиона является натриевым, плотность раствора – 1425 кг/м3.
Выполнялось исследование на предмет воздействия диопсида разного гранулометрического состава и вида его формования на свойства керамического материала. Размер зерен образцов варьировался от 80 мкм до 515 мкм. При прессовании образцов при влажности 10-12 % под давлением 20 МПа использовался полусухой способ. Исследуемые образцы обжигались при 800-1250 оС, где выдерживалась пауза в 50 оС на протяжении 30 мин.
При помощи современных способов исследований определялись физико-механические свойства образцов. Предел прочности при сжатии и изгибе устанавливался в соответствии со стандартной методикой на формах в виде балочек с использованием прецизионного пресса, водопоглощение фиксировалось на плитках массой не менее 50 г путем насыщения их водой при кипячении в течение 1 часа в соответствии с требованиями ГОСТ 27180-2002.
Метод ситового анализа с помощью лабораторных сит использовался для определения дисперсности. Диопсид просеивался через сита номеров менее 0,08, 0,08, 0,14 и 0,515 мм.
Получение гранулометрического состава происходило сухим способом на механическом приборе типа Ротап.
Результаты и обсуждения.
Каркас керамики из грубодисперсных масс формируется на счет зерен непластичного сырья и связывающих их тонкодисперсных составляющих. Структурные и прочностные характеристики такого материала наряду со степенью уплотнения зависят в том числе и от взаимодействия зерна и его оболочки. Влияние термических напряжений внутри и на границе зерна, величина коэффициентов термического расширения и модуль упругости также велико.
Расчет термических напряжений на границах зерен диопсидового сырья производился для установления их максимальных размеров.
На основании анализов напряжений (рис. 1), можно сказать, что возможность использования в керамике грубозернистого диопсида имеется, поскольку возникающие напряжения между его зернами и жидкой фазой, образованной легкоплавкими компонентами в глине и стеклом невелики при использовании непластичного сырья зернистостью до 200 мкм.
Графики влияния размера зерна диопсида на водопоглощение и прочность (рис. 2, 3) отмечают рост показателей водопоглощения и снижение прочности после обжига (1000 оС) при увеличении дисперсности непластичного сырья.
Состав М1 отличается от других составов наименьшим значением водопоглощения, который варьируется от 13 % (150 мкм) и 5 % (515 мкм). Добавка в композицию диопсидового сырья в количестве 5 % ведет к увеличению водопоглощения до 6 % и 7 % при 150 мкм и 13 % и 15 % при 515 мкм у масс М2 и М3 соответственно. Размер зерна в 150 мкм обеспечивает показатель водопоглощения для состава без глинистого сырья (М4) в 5,5 %, когда как при 515 мкм – 12,6 %.
При дисперсности диопсида в пределах от 100 до 150 мкм керамические образцы обладают наибольшими прочностными характеристиками. Необходимо отметить, что размер зерна менее 80 мкм или более 150 мкм не обеспечивает достаточной прочности материалу.
Градация образцов по величине прочности при дисперсности в 100-150 микрон распределилась следующим образом: образцы М3 и М4 с наибольшим содержанием диопсидового концентрата и раствора силиката натрия занимают более высокое положение на кривой графика, их показатели составляют 36 МПа и 30 МПа соответственно, далее разместились составы М1 и М2 с прочностью 22,2 МПа и 24,2 МПа с добавлением 10 % глинистого сырья.
Состав М3 по всем показателям превосходит другие керамические образцы (рис. 4). Его рецептура содержит 80 % диопсидового концентрата, 15 % натрий-силикатного раствора и 5 % глины, что при дисперсности основного компонента в 100 мкм гарантирует материалу при спекании на 1000 °С прочность при сжатии до 33 МПа, водопоглощение 6 % и незначительную усадку 0,3 %, а при обжиге на 1100 °С прочность при сжатии достигает 35 МПа, водопоглощение составляет 6,2 %, усадка 0,4 %.
Выводы.
Достаточные показатели физико-механических свойств образцов (табл. 1) при дисперсности диопсидового сырья в 100-150 мкм можно обосновать тем, что при обжиге керамический черепок образца макроармируется оплавленными зернами диопсида при образовании стеклофазы за счет включения в состав раствора натрий-силикатного стекла и микроармируется в итоге разрушения структуры и благодаря появлению новых фаз в виде анортита, монтмориллонита, гидромусковита и карбоната кальция, что подтверждают термический и рентгенофазовый анализы материала (рис. 5, 6). На термограммах кривая ДТА показывает эндоэффект при 910-940 оС, на рентгенограмме выявлены пики анортита (d=0,405; 0,318 нм) [14].
Проведенными исследованиями установлено влияние размера зерна диопсидового сырья на изменение физико-механических свойств керамического материала. Дисперсность в 100-150 микрон предопределяет значения прочности и водопоглощения в пределах 23-36 МПа и 5-7 % соответственно.
1. Menshikova V.K. State and development trends of the construction facing ceramics market in the region [Sostoyaniye i tendentsii razvitiya rynka stroitel'noy oblitsovochnoy keramiki v regione]. Problemy razvitiya rynka tovarov i uslug: perspektivy i vozmozhnosti sub"yektov RF. Materialy V Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem. Sibirskiy federal'nyy universitet, Torgovo-ekonomicheskiy institut. 2019. Pp. 495-498. (rus).
2. Yendzhiyevskiy S.L., Karasev M.S., Bulychev T.I. Improving the physical and mechanical characteristics of ceramic products [Povysheniye fiziko-mekhanicheskikh kharakteristik keramicheskikh izdeliy]. Fundamental'nyye i prikladnyye nauchnyye issledovaniya: aktual'nyye voprosy, dostizheniya i innovatsii. Sbornik materialov XVI mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. 2018. Pp. 78-80. (rus).
3. Stolboushkin A.YU. The influence of the addition of wollastonite on the formation of the structure of wall ceramic materials from technogenic natural raw materials [Vliyaniye dobavki vollastonita na formirovaniye struktury stenovykh keramicheskikh materialov iz tekhnogennogo prirodnogo syr'ya]. Building material. 2015. No 8. Pp. 13-17. (rus).
4. Poznyak A.I. Levitskiy I.A., Barantseva S.Ye. On increasing the mechanical strength of ceramic tiles at the stages of pressing and drying [O povyshenii mekhanicheskoy prochnosti keramicheskikh plitok na stadiyakh pressovaniya i sushki]. Technique and technology of silicates. 2015. Vol. 21. No 1. Pp. 2-6. (rus).
5. Zhekishev S.Zh., Kudryashov N.I. Ceramic mass for the manufacture of building products and ceramic tiles [Keramicheskaya massa dlya izgotovleniya stroitel'nykh izdeliy i keramicheskikh plitok]. Patent RF, no. 2013107113/03, 2015.
6. Vereshchagin V.I., Shil'tsina A.D., Selivanov Yu.V. Modeling the structure and assessment of the strength of building ceramics from coarse-grained masses [Modelirovaniye struktury i otsenka prochnosti stroitel'noy keramiki iz grubozernistykh mass]. Building material. 2007. No 6. Pp. 65-68. (rus).
7. Shil'tsina A.D., Vereshchagin V.I. Sintering, phase formation and properties of ceramic tiles using diopside and clay raw materials of Khakassia [Spekaniye, fazoobrazovaniye i svoystva keramicheskikh plitok s primeneniyem diopsidovogo i glinistogo syr'ya Khakasii]. Glass and ceramics 2000. No 3. Pp. 13-16. (rus).
8. Vereshchagin V.I., Buruchenko A.Ye., Musharapova S.I., Men'shikova V.K. Vliyaniye dispersnosti neplastichnykh komponentov keramicheskikh mass na spekaniye i svoystva stroitel'noy keramiki. Building material. 2015. No 8. Pp. 64-67. (rus).
9. Buruchenko A.Ye., Men'shikova V.K. Primeneniye novogo sovremennogo screw Syr'ya V proizvodstve keramicheskoy plitki [Primeneniye novogo sovremennogo vida syr'ya v proizvodstve keramicheskoy plitki]. Sovremennyye materialy, tekhnika i tekhnologiya. Materialy 4-y mezhduna. nauch.-praktich. konf. (25-26 dekabrya 2014 goda), redkol. A.A. Gorokhov; Yugo-Zapadnyy gosudarstvennyy institut, ZAO «Universitetskaya kniga». Kursk, 2014. Pp. 102-104. (rus).
10. Vereshchagin V.I., Buruchenko A.E., Menshikova V.K., Mogilevskaya N.V. Ceramik materials based on diopside. Glass and Ceramics. 2011. Vol. 67. No. 11-12. Pp. 343-346.
11. Vereshchagin V.I., Buruchenko A.Ye., Men'shikova V.K. [Bezusadochnyy oblitsovochnyy keramicheskiy material na osnove diopsidovogo syr'ya]. Modern problems of science and education. 2015. No 1-1. C. 13. (rus).
12. Menshikova V.K., Demina L.N. Modification of ceramic composition with raw materials of the Siberian region [Modifikatsiya keramicheskogo sostava syr'yevymi materialami Sibirskogo regiona]. URL: https://esj.today/02savn420.html (date of treatment: 12.12.2009).
13. Buruchenko A.Ye., Vereshchagin V.I., Men'shikova V.K. Malousadochnaya keramika na osnove doleritovykh melkodispersnykh otkhodov shchebenochnogo proizvodstva [Malousadochnaya keramika na osnove doleritovykh melkodispersnykh otkhodov shchebenochnogo proizvodstva]. Glass and ceramics. 2019. No. 11.Pp. 119-123. (rus).
14. Buruchenko A.E., Men'shikova V.K., Vereshchagin V.I. Low-shrinkage ceramic based on fine-grained dolerite wastes from crushed-stone production. Glass and Ceramics. 2020. No 11-12. Pp. 415-418.
15. Menshikova V.K., Demina L.N. Ceramic building materials using non-traditional raw materials [Keramicheskiye stroitel'nyye materialy s ispol'zovaniyem netraditsionnogo vida syr'ya]. Building materials and products. 2020. Vol. 3. No. 3. Pp. 40-46. (rus).
