Керамическая масса для изготовления стеновых и облицовочных изделий

 

Изобретение относится к стеновой и облицовочной керамике и может быть использовано при производстве теплоизоляционных и декоративных материалов. Керамическая масса для изготовления стеновых и облицовочных изделий включает следующие компоненты, мас.%: глина 40-95; крупка пеностекла 5-60; сульфитно-дрожжевая бражка (сухая) сверх 100% сухой смеси 0,3-0,5. Композиция позволяет снизить теплопроводность, уменьшить усадку при сушке и обжиге, а также снизить плотность стеновых керамических изделий при сохранении и увеличении их прочности. 3 табл.

Изобретение относится к стеновой и облицовочной керамике и может быть использовано при производстве теплоизоляционных и декоративных материалов - плиток, блоков, стеновых панелей и др.

Известна масса для изготовления керамических изделий, включающая легкоплавкую и тугоплавкую глины, кварцевый песок и стеклобой в качестве плавней [1].

На основе известной смеси получают керамические изделия методом литья, формования, прессования и последующего обжига при температуре 1000...1100°С. Получаемые керамические изделия обладают прочностью на сжатие до 15 МПа и широким интервалом спекания 80...100°С.

Наряду с указанными достоинствами имеются и существенные недостатки, в значительной мере ухудшающие технологические и эксплуатационные качества получаемых изделий, в частности:

1) высокий коэффициент теплопроводности (0,90...0,94 Вт/м·К), что обуславливает увеличение расхода строительных материалов в строительстве;

2) большая усадка в процессе сушки и обжиге керамических изделий (20,5...27,0 об.%), это затрудняет получение материалов с заданными геометрическими параметрами;

3) высокая плотность (1840...1960 кг/м³), что требует увеличения затрат материалов на стадии изготовления и, как следствие этого, утяжеляет массу стеновых конструкций.

Наиболее близкой керамической массой в сравнении с заявляемой является керамическая масса [2], включающая следующие компоненты, мас.%: глина тугоплавкая 20...90; глина легкоплавкая 1,2...62,0; череп (молотый бой изделий) 0,5...2,0; стеклобой 2,5...3,6; низкокальциевая буроугольная зола 0,3...10,5; вспученный вермикулитовый песок с размером частиц не более 2,5 мм 3,0...4,4; сульфитно-дрожжевая бражка (сухая) сверх 100% сухой смеси - 0,3...0,5.

Из смеси известного состава получают облицовочные керамические материалы с улучшенными декоративными характеристиками. Введение в состав сырьевой смеси вспученного вермикулитового песка и низкокальциевой буроугольной золы позволяет несколько снизить плотность изделий (до 1620...1680 кг/м³) и их коэффициент теплопроводности (до 0,78...0,82 Вт/ м·К); введение черепа (молотого боя изделий) позволяет также снизить усадку при сушке и обжиге (до 18,2...21,4 об.%). В известной смеси вермикулитовый песок, низкокальциевая буроугольная зола и череп (молотый бой изделий) являются отощающими материалами, а стеклобой - плавнем.

Наряду с указанными достоинствами имеются и существенные недостатки. Недостатками прототипа являются высокий коэффициент теплопроводности, большая усадка при сушке и обжиге, повышенная плотность получаемых стеновых керамических изделий.

Предлагаемое изобретение решает задачу снижения теплопроводности, уменьшения усадки при сушке и обжиге, а также снижения плотности стеновых керамических изделий при сохранении и увеличении прочности.

Для достижения поставленной задачи керамическая масса для стеновых и облицовочных изделий, включающая глину, отощающие компоненты, плавень и сухую дрожжевую бражку, согласно предлагаемому решению в качестве отощающих компонентов и плавня содержит крупку пеностекла с размером зерен 0,1...2,5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

глина 40...95

крупка пеностекла 5...60

сульфитно-дрожжевая бражка (сухая) сверх 100% сухой смеси 0,3...0,5

Характеристика компонентов массы

1. Тугоплавкая глина Лукошкинского месторождения. ТУ 21-4434-84. Огнеупорность 1430...1570°С. Пластичность 9...12. Цвет после обжига - красный. Химический состав суглинка Тульской обл. представлен в табл. 1.

2. Легкоплавкая глина (суглинки) Тульской обл. Огнеупорность 1200...1230°С. Пластичность 17. Цвет после обжига - светло-красный. Химический состав глины Лукошкинского месторождения приведен в табл. 1.

3. Пеностекло по ТУ 5914-003-02066339-98 "Материалы и изделия строительные теплоизоляционные", произведено в БГТУ. Исходное пеностекло плотностью 150...200 кг/м³ дробили в щековой дробилке и просеивали сквозь сито с диаметром отверстий 2,5 мм. Остаток на сите дробили и вновь дополнительно просеивали на сите с диаметром отверстий 2,5 мм. Для удаления пылевидных фракций дробленое пеностекло, прошедшее сквозь сито 2,5 мм, помещали на сито с размером ячеек 0,1 мм и вибрировали до прекращения просыпи пыли. Таким образом, в заявляемом составе сырьевой смеси использовали крупку пеностекла размером 0,1...2,5 мм и насыпной плотностью 260 кг/м³. Для приготовления крупки можно использовать обрезки и бой блоков пеностекла. Химический состав пеностекла приведен в табл. 1.

4. Сульфитно-дрожжевая бражка (СДБ). Принята в качестве пластификатора с целью увеличения прочности спрессованных полуфабрикатов и повышения трещиностойкости при сушке и прессовании по ТУ 81-04-546-79. СДБ вводили с водой затворения в виде водного раствора 3 и 5% концентрации.

В производственных условиях состав керамической массы в виде пресс-порошка готовят известным способом. Например, дозируют тонкоизмельченное сухое глинистое сырье, просеянное через сито с диаметром ячейки не более 1 мм, добавляют крупку пеностекла в соотношении по сухой массе, указанной в табл. 2. Смесь сухих компонентов увлажняют 5% раствором СДБ до влажности 6...10%, аналогично с [2], перемешивают до однородного состояния. Смесь формируют методом полусухого прессования под давлением.

Изделия высушивают до остаточной влажности 0,5...2%, аналогично с [2], а затем обжигают при температуре 900...950°С.

Пример 1. Взвесили предварительно высушенную измельченную и просеянную через сито с размером отверстий 1 мм Лукошкинскую глину в количестве 6,0 кг (табл. 2, смесь 1), к этой глине добавили 4,0 кг дробленного пеностекла, просеянного через сито с размером диаметра ячеек 2,5 мм и оставшегося на сите 0,1 мм.

Эти два компонента смешали в лабораторном шнековом смесителе и одновременно при смешивании подавали 5% водный раствор СДБ в количестве 1 кг (0,5% СДБ сверх 100% сухой смеси). Полусухую массу формовали методом прессования на гидравлическом прессе под удельным давлением 10 МПа.

Сформованные образцы в виде плиток с размером 192×142×9 мм и цилиндров с диаметром и высотой 50 мм (последние образцы предназначались для определения предела прочности при сжатии) высушили до остаточной влажности 2%, а затем обжигали при максимальной температуре 950°С с выдержкой 2 часа, т.е. моделировались производственные условия получения строительного красного кирпича. После охлаждения образцы материала испытывали на прочность, водопоглощение, теплопроводность; определялись плотность и величина усадки при сушке и обжиге. Визуально определялись декоративные свойства образцов. Результаты испытаний приведены в табл. 3 (смесь 1).

Пример 2. Взвесили предварительно высушенный измельченный и просеянный через сито с размером отверстий 1 мм суглинок тульский в количестве 6,0 кг (табл. 2, смесь 3), к этому суглинку добавили 4,0 кг дробленого пеностекла, просеянного через сито с размером диаметра ячеек 2,5 мм и оставшегося на сите 0,1 мм.

Эти два компонента смешали в лабораторном шнековом смесителе и одновременно при смешивании подавали 5% водный раствор СДБ в количестве 1 кг (0,5% сверх 100% сухой смеси). Полусухую массу формовали методом прессования на гидравлическом прессе под удельным давлением 10 МПа.

Сформованные образцы в виде плиток с размером 192×142×9 мм и цилиндров с диаметром и высотой 50 мм высушили до остаточной влажности 2%, а затем обжигали при максимальной температуре 900°С с выдержкой 2 часа. После охлаждения образцы материала испытывали на прочность, водопоглощение, теплопроводность; определялись плотность и величина усадки при сушке и обжиге. Визуально определялись декоративные свойства образцов. Результаты испытаний приведены в табл. 3 (смесь 3).

Соотношения сырьевых компонентов и температура обжига керамических масс в примерах 1 и 2 (табл.1, смеси 1-3) выбраны из экспериментальной серии образцов как наиболее рациональные по микроструктуре и физико-механическим свойствам получаемых стеновых керамических изделий.

Аналогичным способом приготавливали все остальные смеси предлагаемой керамической массы и все, соответственно, на ее основе образцы стеновых материалов и облицовочной плитки, в том числе и запредельные по размеру зерен крупки пеностекла составы 8-9, а также известный состав массы 10 (прототип), Результаты свойств приведены в табл. 3. Эксперименты проводились в лабораторных условиях БГТУ.

Анализ данных табл. 3 результатов испытаний свойств образцов стеновой и облицовочной керамики, изготовленных из составов предлагаемой массы, показывает следующее:

1. Все смеси 1-7 отвечают требованиям ГОСТ 7025-91 "Кирпич и камни керамические и силикатные".

2. Введение в состав заявляемой массы крупки пеностекла в качестве отощающего компонента и плавня позволяет получать высококачественные керамические материалы.

3. При уменьшении дозы крупки пеностекла коэффициент теплопроводности, плотность, суммарная усадка при сушке и обжиге по сравнению с прототипом несколько снижаются, но при этом значительно - в 2-3 раза - возрастает прочность образцов (смеси 5 и 6). Дальнейшее уменьшение дозы крупки пеностекла нецелесообразно, т.к. получаемые керамические материалы незначительно превосходят качественные характеристики прототипа.

4. При увеличении дозы крупки пеностекла плотность, коэффициент теплопроводности и усадка керамических материалов уменьшаются, однако и прочность их снижается за счет увеличения рыхлости структурного скелета (смесь 7), дальнейшее же увеличение дозы крупки в массе нецелесообразно, т.к. происходит падение прочности получаемых керамических материалов за счет появления выплавов.

5. Использование крупки пеностекла с размером частиц менее 0,1 мм не позволяет получать керамические изделия низкой плотности и с пониженным коэффициентом теплопроводности, т.к. пылеобразные частицы пеностекла не способствуют созданию пористой структуры керамических материалов (смесь 8).

6. Использование крупки пеностекла с размером частиц более 2,5 мм также нецелесообразно, т.к. образующаяся система крупных пор способствует возникновению в них конвективного теплообмена, что снижает теплоизоляционные характеристики получаемых материалов (смесь 9), при обжиге такой массы наблюдаются серьезные дефекты структуры, рыхлость, выплавы, которые снижают прочностные характеристики, ухудшают внешний вид изделий.

Заявляемый состав керамической массы в сравнении с прототипом имеет следующие преимущества:

1) теплоизоляционные свойства улучшаются более чем в два раза;

2) плотность при сохранении требуемых физико-механических характеристик и величины водопоглощения (10...12%) уменьшается на 30%;

3) керамические массы в процессе сушки и обжига имеют минимальную усадку.

Физико-химическая сущность технического решения достижения задачи заключается в следующем: крупка пеностекла благодаря низкой насыпной плотности (400...450 кг/м³), занимая объем сырьевой массы, формирует пористую структуру сырца, причем общая поверхность этих частиц высока за счет развитой поверхности и поэтому условия взаимодействия с глинистыми частицами очень эффективны. При обжиге пеностекло переходит в жидкую фазу, активно взаимодействуя с частицами глины по всей поверхности поры. К этому времени глинистая составляющая массы создает прочный структурный скелет материала, который препятствует термической усадке изделия. В процессе изотермической выдержки при максимальной температуре в течение 1,5...2 часов готовая стеклофаза приводит к ускорению реакций муллитообразования с последующей кристаллизацией муллита на стенках пор и их армированием (доказано микроскопическими и петрографическими исследованиями). Армирование, высокая плотность стенок пор препятствуют трещинообразованию получаемых стеклокерамических материалов, этим объясняются их высокая прочность и малое водопоглощение (10...12%). Обеспечение равномерной замкнутой пористости в керамическом материале обусловливает снижение коэффициента теплопроводности практически в два раза по сравнению с прототипом.

Традиционные методы снижения плотности керамических изделий предполагают использование выгорающих добавок (древесной муки, опилок). В таких изделиях имеется значительное количество микротрещин и слабых контактов в местах образования пор, что обуславливает низкую прочность и высокое водопоглощение.

Авторами впервые обнаружено неизвестное поведение крупки пеностекла в сочетании с тугоплавкими и легкоплавкими глинами и СДБ в заявляемых количествах, заключающееся в поризации и упрочнении макроструктуры спекаемой массы, что позволяет получать строительные материалы с пониженной плотностью без уменьшения прочностных характеристик.

Спрогнозировать поведение крупки пеностекла при использовании ее в сочетании с тугоплавкими и легкоплавкими глинами и СДБ в заявляемых количественных соотношениях и размерах крупки на дату подачи заявки было невозможно, т.к. общеизвестно, что крупка является легкоплавким компонентом, вызывающим уплотнение и, как следствие, утяжеление керамической массы.

Получаемые стеновые и облицовочные изделия обладают хорошими декоративными показателями - имеют вид природных туфовых материалов, а изделия из беложгущихся глин - ракушечника. Для достижения большего декоративного эффекта допускается дополнительное введение пигментов в состав сырьевой керамической массы.

Использование заявляемой керамической массы в промышленности строительных материалов позволит также решить проблему утилизации значительной части отходов производства пеностекла.

Литература

1. Авт. свид. № 814964, 1981.

2. Патент РФ № 2099307, 1997.

Формула изобретения

Керамическая масса для стеновых и облицовочных изделий, включающая глину, отощающие компоненты, плавень и сухую дрожжевую бражку, отличающаяся тем, что в качестве отощающих компонентов и плавня содержит крупку пеностекла с размером зерен 0,1-2,5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Глина 40-95

Крупка пеностекла 5-60

Сульфитно-дрожжевая бражка сухая сверх 100% сухой смеси 0,3-0,5