Керамическая масса

Изобретение относится к области строительства и может найти применение для изготовления стеновых изделий, в том числе и лицевых (кирпичей, камней). Технический результат: повышение прочности обожженной керамики и создание архитектурной выразительности за счет исключения выцветов и обеспечения на поверхности микроблестящих точек. Керамическая масса включает суглинок тяжелый, глину с повышенным содержанием сульфатных и сульфитных примесей (более 2 мас.% в пересчете на ион SO₃ ^-2) и мелкодисперсный тугоплавкий отход производства - слюдосодержащий кварцевый песок - отход угледобычи, фракции 0-0,315 мм, с содержанием пылевидной фракции 0-0,14 мм 35-50 мас.%. при следующем соотношении компонентов, мас.%: суглинок тяжелый 72-80, указанная глина 10-17, указанный кварцевый песок 10-11, причем указанный кварцевый песок содержит 95-98 мас.% кварца и 0,5-3 мас.% слюды. 3 табл.

 

Изобретение относится к области строительства и может найти применение для изготовления стеновых изделий, в том числе и лицевых (кирпичей, камней).

Известен состав керамической массы, включающий глинистое сырье, содержащее сульфатные и сульфитные примеси типа: Na₂SO₄, CaSO₄ и др., например FeS-пирит), и содержащее, мас.%:

- Активизированный кремнезем в виде коллоидного высокодисперсного материала	- 10-20;
- Глинистое сырье, содержащее сульфатные и сульфитные примеси	- остальное.

(см. Мороз И.И. Технология строительной керамики: Учеб. пособие для вузов - 3-е изд. перераб. и доп. - Киев: Вища школа. Головное издательство, 1980 - 384 с. Конкретно с.143 внизу и с.144 вверху).

Наряду с достоинствами состава исключаются высолы за счет химического связывания солей в нерастворимые силикаты, например:

CaSO₄+SiO₂=CaSiO₃+SO₃↑

MgSO₄+SiO₂=MgSiO₃+SiO₃↑ имеются и недостатки:

1. Недостаточная архитектурная выразительность керамических изделий - серый оттенок на красном тоне кирпича, т.к. коллоидный активный кремнезем типа диатомита, трепела имеет серый или темно-серый оттенок.

2. Коллоидный кремнезем резко снижает трещиностойкость при сушке, т.к. уменьшается водопроводящая структура при испарении влаги в процессе сушки.

3. Активизированный кремнезем относится к числу дефицитных материалов.

Наиболее близкий состав керамической массы по технической сущности и качественному содержанию приведен в Авт.свид. СССР №694474, МПК³ С 04 В, опубл. 30.10.79, Бюл. №40 и содержащий компоненты при следующем их соотношении, мас.%:

- Мелкодисперсный тугоплавкий отход производства (зола-унос)	- 60-69.
- Суглинок тяжелый	- 25-30.
- Глина, содержащая повышенное количество сульфатных и
сульфитных примесей (более 2% в пересчете на ион SO3-2)	- 6-10.

Такая глина согласно ОСТ 21-78-88 относится к некондиционной, но несмотря на это многие заводы вынуждены вводить в состав формовочной массы такие глины (дополнительно к суглинкам), т.к. обладают в 1,5-2 раза выше прочностью в сравнении с суглинками, на основе которых изготавливается стеновая керамика.

Наряду с достоинствами способа (утилизируется зола-унос, повышенная прочность кирпича-сырца) имеются и недостатки, лимитирующие применение керамических изделий в качестве лицевого кирпича, конкретно:

1. Низкая архитектурная выразительность, т.е. наличие дефектов: "мушки", выцветов (за счет сульфатных солей и пирита) и серый оттенок, т.к. зола-унос в соответствие с ГОСТ 6133-84 "Камни бетонные стеновые" относится к пигменту серого цвета.

2. Недостаточная прочность при сжатии обожженного кирпича 129-270 кгс/см², что лимитирует получение кирпича с пустотностью 40% и выше с маркой по прочности не менее M100, M125.

Задача изобретения - повысить прочность обожженной керамики и архитектурную выразительность за счет исключения выцветов и обеспечения на поверхности микроблестящих точек.

Поставленная задача достигается тем, что керамическая масса, включающая суглинок тяжелый, глину с повышенным содержанием сульфатных и сульфитных примесей - более 2 мас.% в пересчете на ион SO₃ ^-2 и мелкодисперсный тугоплавкий отход производства, в качестве мелкодисперсного тугоплавкого отхода производства содержит слюдосодержащий кварцевый песок - отход угледобычи, фракции менее 0-0,315 мм, с содержанием пылевидной фракции 0-0,14 мм 35-50 мас.% при следующем соотношении всех компонентов, мас.%:

суглинок тяжелый	72-80
указанная глина	10-17
указанный кварцевый песок	10-11,

причем указанный кварцевый песок содержит 95-98 мас.% кварца и 0,5-3 мас.% слюды.

Характеристика компонентов, участвующих в реализации задачи

1. Глинистое сырье.:

1.1. Кукуйская глина (Тульская обл.) имеет темно-серый цвет, а после обжига кремовый. Среднепластичная, полукислая, малочувствительная к сушке. Легкоплавкая - огнеупорность 1250-1270°С. При температуре обжига 950-980°С приобретает высокую прочность 42-46 МПа. Последнее и служит основной причиной применять такую некондиционную глину в качестве добавки к суглинкам, имеющим прочность в 2 раза ниже. По количеству серосодержащих примесей не отвечает требованиям ОСТ 21-78-88.

1.2. Суглинок Новомосковский (Тульской обл.). Цвет желтый, а в обожженном виде имеет светло-красный цвет и прочность образцов на их основе 17-23 МПа (температура обжига - 1000-1050°С). Сырье кислое, легкоплавкое (температура огнеупорности - 1250°С). Является умеренно пластичным (Ч.П=12,6-12,7), высокочувствительным к сушке (низкая трещиностойкость). Является неспекающимся до 1250°С.

В таблице 1 приведен химический состав глинистого сырья. Для сопоставления приведены аналогичные показатели глинистого сырья, принятых в известном составе (прототипе).

Таблица 1 Химический состав глинистого сырья предлагаемого и известного составов.
№ п/п	Химический состав (оксиды)	Требования ОСТ 21-78-88 по химсоставу	Для предлагаемого состава	Для прототипа
Глина Кукуйская	Суглинок Новомосковский	Глина Айнабулакская	Суглинок Бурундитский
	Содержание:
	- Al2О3,	>7	21,45	11,64	14,44	15,5
	- Fe2O3+FeO,	<14	5,3	4,00	4,83	4,86
	- CaO+MgO,	<20	3,39	4,4	4,54	11,34
	- сульфат и сульфитсодержащие
	примеси в пересчете на ион SO3 -2,	<2	3,19	следы	2,49	0,19
	- Na2O+K2O,
	- SiO2,	<7	2,26	3,14	2,36	4,88
	- Потери при	<85	52,7	72,28	59,02	57,06
	прокаливании		7,36	4,35	12,32	6,17
	Влажность исходная		15-18	16-18	-	6-13

1.3. Слюдосодержащий мелкодисперсный кварцевый песок. Цвет белый или светло-желтый. Насыпная плотность (сухого) 1510-1515 кг/м³. Фракционный состав: 0-0,14 мм (кварцевая пыль) - 35-50 мас%; 0,14-0,315 мм - 50-65 мас.%. Карьерная влажность 5-7%. Тугоплавкий - температура плавления 1700-1710°С. Минералогический состав включает: кварц (SiO₂) - 95-98 мас.%; слюда - 0,5-3 мас.%; гематит Fe₂O₃, карбонаты, органика - остальное.

Примеры реализация предлагаемого состава керамической массы.

Пример 1. Суглинок Новомосковский и глину Кукуйского карьера предварительно сушили, измельчили и просеяли через сито с диаметром 2 мм.

Мелкодисперсный слюдосодержащий кварцевый песок просеяли через сито с диаметром 0,315 мм, чтобы задержать инородные включения.

Сухие порошкообразные компоненты дозировали по массе в соотношении, приведенном в таблице 2.

Однородную смесь порошков увлажнили водой до 20% влажности и приготовили пластическое тесто, которое пропустили через лабораторные вальцы с зазором 2 мм и поместили в целлофановый герметически закрытый мешок (для сохранения влажности), с последующим вылеживанием в течение двух суток. Из приготовленного теста формовали образцы - кубы размером 7,07×7,07×7,07 см, извлекли на перфорированный поддон, а затем сушили и обжигали соответственно при максимальной температуре 75±2°С и 1000°С. После обжига образцы изделий испытывали на прочность при сжатии и визуально архитектурную выразительность.

Данные испытаний свойств приведены в таблице 2 и 3.

Таблица 2 Состав керамической массы
№ п/п	Компоненты сухой массы, мас.%	Номера опытных масс керамики
								Прототип
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Суглинок тяжелый	70,0	72	76	80	81,5	84	30	25
2	Глина, содержащая
	сульфатные примеси (более 2 мас% в пересчете на SO3 -2)	18,5	17	13,5	10	9,5	8	10	6
3	Мелкодисперсный
	тугоплавкий отход
	производства:
3.1	- Зола ТЭС;	-	-	-	-	-	-	60	62
3.2	- Слюдосодержащий
	кварцевый песок с	11.5	11	10,5	10	9	8	-	-
	фракцией 0-0,315 мм.
Таблица 3 Свойства образцов керамики
№ п/п	Свойства	Ед. изм.	Номера опытных масс керамики. Состав, мас%
									Прототип
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Предел прочности	МПа	34,2	32,5	28,8	28,0	25,1	15,6	27,2	12,9
	при сжатии
2	Архитектурный
	вид:
2.1	Наличие выцветов	-	есть	нет	нет	нет	нет	нет	есть	есть
	(высолов),
2.2	Цвет	-	Абрикос	Светло-красный
				с серым
				оттенком
2.3	Наличие блестящих
	золотистых	-	Есть	Нет
	точек.

Анализ результатов реализации задачи

1. Как видно из таблице 3, керамические массы составов №1 и №6 являются запредельными, т.к. изделия из состава №1 имеют на поверхности выцветы, следовательно, отношение массы кварцевого песка 11,5 мас. % к массе сульфатсодержащей глины 18,5 мас.% недостаточно. Состав №6 обеспечивает прочность 15,6 МПа, что находится в пределе прочности прототипа, а также не позволяет получить высокопустотный лицевой кирпич (пустотность 42%) марки по прочности не менее M100.

2. Прочность образцов изделий из смесей состава №2, 3, 4, 5 превышает прочность образцов прототипа на 5,3-12,2 МПа.

3. Изделия не имеют выцветов, "мушки" и приобретают ярко выраженный светло-оранжевый цвет - цвет спелых абрикосов, причем с блестящими золотистыми микроточками на поверхности. Что способствует повышению архитектурной выразительности лицевой керамики.

Физико-химическая сущность достижения поставленной цели объясняется следующим:

В составе мелкодисперсного кварцевого песка кристаллической структуры содержится 35-50 мас.% пылевидного кварца (SiO₂), который при обжиге керамики способен вступать в реакцию с известью, освободившейся в процессе разложения ангидрита (CaSO₄), сульфата натрия (Na₂SO₄) и пирита (FeS), образуя нерастворимые в воде силикаты кальция, натрия, фаялит (FeSiO₃).

Например:

CaSO₄=CaO+SO₃↑

CaO+SiO₂=CaSiO₃

FeS+SiO₂+2O₂=FeSiO₃+SO₃

В составе же керамической массы прототипа известь (СаО), освободившаяся от разложения сульфатов, вступает в реакцию с углекислым кальцием (СО₂), содержащимся в продуктах горения зоны обжига печи, т.е. карбонизируется в белые пятна, причем этот процесс продолжается и за пределами печи или вступает в реакцию с газом SO₂, содержащимся в продуктах горения, т.е. идет обратный процесс образования нерастворимых сульфатов, особенно если в зоне обжига печи поддерживается небольшое давление. Газы SO₂ образуются от разложения пирита, содержащегося в глине, т.е. на поверхности образуется ангидрит.

Таким образом, в предлагаемом составе пылевидный кварц вступает в реакцию подобно коллоидному.

Образование силикатов CaSiO₃, фаялита FeSiO₃ способствуют увеличению в составе керамики: стеклофазы, а следовательно, и повышению прочности, а также исключается возможность образования выцветов. Заметим, что в составе аналога в этом процессе участвует коллоидный кремнезем. Присутствующие в составе кварцевого песка микрочастицы слюды выполняют двойную роль, конкретно:

- При температуре 900-950°С эти частицы вспучиваются, уплотняя керамический черенок и благодаря сплавлению с минералами керамики увеличивают прочность.

- Вспученные микрочастицы слюды приобретают золотистый цвет, образуя на поверхности керамики золотистые блестящие микроточки размером менее 0,3 мм, что положительно сказывается на архитектурной выразительности керамики.

- Микродисперсный - кварцевый песок, имея белый или светло-желтый цвет, также положительно влияет на архитектурный вид. Экономические преимущества в сравнении с прототипом заключаются в следующем:

1. Кварцевый песок, вводимый в состав массы, несмотря на микродисперсность, не обладает свойством пыления, и тем более, что он имеет влажность 5-6%, а зола-унос из циклонов, применяемая в составе керамики прототипа, требует мощных вентиляционных систем для обеспыливания помещений цеха.

Кроме того, для отбора золы-уноса из циклонов требуются специальные установки и транспортируется такая зола пневмотранспортом или в цементовозах, или бумажных мешках, а кварцевый песок (навалом), причем любым транспортом (автосамосвалы или в платформах). Отсюда применение кварцевого песка в сравнении с золой обходится в 2 раза дешевле.

2. Впервые микродисперсные пески Подмосковного угольного бассейна предлагается утилизировать в составе лицевой керамики. Ранее (80-е годы) их могли применять только для производства стеклянной тары. Таких заводов в Тульской области нет. Поэтому предлагаемое изобретение направлено и на утилизацию песков, которые тысячами тонн скопились в открытых буроугольных разрезах.

3. На основе предлагаемого состава керамики можно изготовлять и лицевой кирпич, который реализуется по цене в 1,3-1,5 раза дороже в сравнении с кирпичом прототипа.

Таким образом, прибыль от рекомендуемого состава керамики на 20-25% выше в сравнении с известным составом прототипа.

Керамическая масса, включающая суглинок тяжелый, глину с повышенным содержанием сульфатных и сульфитных примесей более 2 мас.% в пересчете на ион SO₃ ^-2 и мелкодисперсный тугоплавкий отход производства, отличающаяся тем, что вводят в качестве мелкодисперсного тугоплавкого отхода производства слюдосодержащий кварцевый песок - отход угледобычи фракции 0-0,315 мм с содержанием пылевидной фракции 0-0,14мм 35-50 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Суглинок тяжелый	72-80
Указанная глина	10-17
Указанный кварцевый песок	10-11

причем указанный кварцевый песок содержит 95-98 мас.% кварца и 0,5-3 мас.% слюды.