Способ изготовления стеновых керамических изделий с использованием осадочных высококремнеземистых пород, шихта для стеновых керамических изделий и заполнитель для стеновых керамических изделий

Изобретение относится к производству стеновой керамики и может быть использовано для получения теплоизоляционных изделий - кирпича, блоков, стеновых панелей и др. Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств при изготовлении прочных малоусадочных и безусадочных стеновых керамических изделий. Способ включает смешивание молотой глины в количестве 60-97 мас.% с заполнителем - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм. Заполнитель состоит из ядра, включающего стеклобой, молотый с порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, и оболочки из гидрофобизатора, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя. При помоле стеклобоя и порообразователя дополнительно вводят природные осадочные высококремнеземистые породы в количестве 5,0-80 мас.% от содержания в смеси стеклобоя и указанных осадочных пород и гидроксид щелочного металла в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе указанных осадочных пород, при этом количество порообразователя составляет 1-6% от смеси стеклобоя. Далее следует увлажнение, формование сырцовых изделий пластическим способом, либо способом полусухого прессования, сушка и обжиг при 890-925°С. 3 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к производству стеновой керамики и может быть использовано для получения теплоизоляционных изделий - кирпича, блоков, стеновых панелей и др.

Известны способ изготовления стенового керамического изделия и сырьевая шихта для него, включающая молотую глину (53-93 мас.%) и заполнитель в виде зерен, расширяющихся в процессе нагревания с первоначальным размером не более 2 мм, состоящих из вермикулита, или гидрофлогопита, или гидробиотита (2-42 мас.%) и отощителя - песка, или золы, или шлака с размером частиц не более 2 мм (4-45 мас.%). Из перемешанной массы пластическим способом формуют изделия в виде кирпича, блоков, стеновых панелей, которые после сушки обжигают в тоннельной печи при 950°С с изотермической выдержкой 2 часа [Патент РФ №1780276, кл. 6 С04В 33/00, 1995].

Недостатками способа, сырьевой шихты и заполнителя являются: высокая плотность получаемых стеновых керамических изделий (1850...1990 кг/м³), что требует увеличения затрат материалов на стадии изготовления и, как следствие этого, утяжеляет массу стеновых конструкций; высокая огневая усадка (до 5...7,9 об.%), что способствует возникновению напряжений и дефектов структуры, отрицательно влияющих на прочностные характеристики обожженного материала. Эти недостатки ухудшают технологические и эксплуатационные характеристики стеновых керамических изделий.

Наиболее близкими к предлагаемому решению являются способ изготовления стеновых керамических изделий, сырьевая шихта и заполнитель для них. Способ заключается в смешивании молотой глины - 60-97 мас.% и заполнителя - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого совместно с 1-6% от массы стеклобоя порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, при этом количество гидрофобизатора составляет 1...10% от массы стеклобоя. Из перемешанной массы формуют изделия, которые после сушки обжигают в тоннельной печи при 950°С с изотермической выдержкой 2 часа [Патент РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005]. Недостатками прототипа являются наличие общей усадки при сушке и обжиге, недостаточная прочность получаемых стеновых керамических изделий, что ограничивает использование многих типов глин с большими усадочными свойствами при термообработке.

Предлагаемое изобретение решает задачу расширения арсенала технических средств для производства малоусадочных и безусадочных стеновых керамических изделий с сохранением и увеличением их прочности, позволяет расширить сырьевую базу за счет применения в качестве сырья экологически чистых природных материалов - диатомита, опоки, трепела и глин с большими усадочными свойствами при термообработке, ранее для производства стеновых керамических изделий не использовавшихся

Технический результат достигается способом изготовления стеновых керамических изделий, включающим смешивание молотой глины в количестве 60-97 мас.% с заполнителем - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого с порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, увлажнение, формование сырцовых изделий пластическим способом, либо способом полусухого прессования, сушку и обжиг, при этом согласно предлагаемому решению при помоле стеклобоя и порообразователя взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя вводят природные осадочные высококремнеземистые породы и дополнительно вводят гидроксид щелочного металла в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе природных осадочных высококремнеземистых пород, а количество порообразователя составляет 1-6% от смеси стеклобоя и природных осадочных высококремнеземистых пород, при этом обжиг проводят при температуре 890-925°С.

Технический результат достигается тем, что в сырьевой шихте для изготовления стеновых керамических изделий, включающей молотую глину - 60-97 мас.% и заполнитель - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, полученных из стеклобоя, молотого с порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, согласно предлагаемому решению ядра вышеуказанного заполнителя взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя содержат природные осадочные высококремнеземистые породы и дополнительно гидроксид щелочного металла в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе природных осадочных высококремнеземистых пород, а количество порообразователя составляет 1-6% от смеси стеклобоя и природных осадочных высококремнеземистых пород.

Результат достигается с помощью заполнителя для стеновых керамических изделий, в виде гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра и оболочки из гидрофобизатора, причем ядром является связанная между собой смесь дробленого боя стекла и порообразователя - карбоната кальция и/или магния, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, согласно предлагаемому решению материал ядра заполнителя взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя содержит природные осадочные высококремнеземистые породы и дополнительно содержит гидроксид щелочного металла в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе природных осадочных высококремнеземистых пород, а количество порообразователя составляет 1-6% от смеси стеклобоя и природных осадочных высококремнеземистых пород.

Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило установить, что оно отличается введением в состав ядра заполнителя взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя природных осадочных высококремнеземистых пород и дополнительно гидроксида щелочного металла в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе природных осадочных высококремнеземистых пород, при этом количество порообразователя составляет 1-6% от смеси стеклобоя и природных осадочных высококремнеземистых пород, а также предложенной авторами температурой обжига изделий. Таким образом, предлагаемое решение обладает критерием «новизна».

При изучении других технических решений, использование предложенного авторами введения в состав ядра заполнителя природных осадочных высококремнеземистых пород, например, диатомита, опоки, трепела и т.п. либо смеси этих минералов взамен 5,0...80 мас.% стеклобоя и дополнительно гидроксида щелочного металла, в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе природных осадочных высококремнеземистых пород, а также обжига изделий при температуре 890-925°С не выявлено, таким образом заявляемое решение не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».

Характеристика компонентов массы:

1. В качестве глинистого компонента использовали суглинок Шебекинского месторождения Белгородской области. Огнеупорность 1180...1270°С. Водозатворяемость - 28,7% (по ГОСТ 9169-75). Основной глинистый минерал - монтмориллонит. Цвет после обжига зеленовато-желтый. Химический состав суглинка Шебекинского месторождения представлен в табл.1.

2. В качестве стеклобоя использовали бой зеленого тарного стекла, г.Воронеж. Исходный бой тарного стекла дробили в молотковой дробилке, мыли и сушили в моечно-сушильном барабане, хранили в накопительном бункере.

3. В качестве природных осадочных высококремнеземистых пород использовали:

- диатомит Забалуйского месторождения (Ульяновская обл.);

- опоку Алексеевского месторождения (Мордовия);

- трепел Фокинского месторождения (Брянская обл.).

Природные осадочные высококремнеземистые породы при необходимости дробили в молотковой дробилке и хранили в накопительных бункерах.

4. В качестве порообразователя использовали карбонаты кальция (мел, известняк), карбонат магния (магнезит) и их природную смесь (доломит):

- мел технический дисперсный МТД-2 по ТУ - 21-020350-06-92, ОАО «Стройматериалы», г.Белгород;

- известняк Яшкинского месторождения;

- магнезит, г.Сатки Челябинской области СМ-1 по ТУ 14-8-64-73;

- доломит, Щелковское месторождение Московской области.

Химический состав сырьевых компонентов приведен в табл.1.

5. В качестве гидроксида щелочного металла использовали гидроксид натрия по ГОСТ 2263-79.

6. При гранулировании порошка стеклобоя, дополнительно содержащего природные осадочные высококремнеземистые породы и гидроксид натрия, молотых совместно с порообразователем, на тарельчатом грануляторе использовали водный раствор силикатного клея (жидкое стекло) по ТУ 2385-001-54824507-2000. Количество связующего компонента при разных размерах гранул различно и определяется визуально: столько, чтобы сформированные гранулы нужного размера скатывались с наклонной поверхности тарельчатого питателя. Полученные ядра состоят из связанной между собой жидким стеклом смеси молотых боя стекла, природного осадочного высококремнеземистого компонента, гидроксида щелочного металла и порообразователя - карбоната кальция и/или магния.

7. В качестве гидрофобизатора поверхности гранул заполнителя использовали парафин нефтяной марки П-2 (ГОСТ 23683-89) в расплавленном состоянии. Регулируя толщину парафинового слоя на поверхности гранулята, получают наиболее предпочтительные сферические и округлые гранулы, формирующие аналогичные поры в массе готового изделия.

Для получения гранулированного заполнителя при реализации заявляемого способа изготовления стеновых керамических изделий, дробленый стеклобой дозировали с природными осадочными высококремнеземистыми породами, гидроксидом натрия и порообразователем весовым методом. Полученную шихту загружали в шаровую мельницу и производили совместный помол до достижения удельной поверхности 300...500 м²/кг. Гранулирование полученной шихты, сушку гранул и обработку их гидрофобизатором производили аналогично способу, описанному в патенте РФ №2277520.

Химический состав компонентов керамических масс

Таблица 1
№ п/п	Компонент	Содержание оксидов, мас.%
SiO2	Al2О3	TiO2	Fe2О3	CaO	MgO	R2O	SO3	П.п.п
1	Суглинок Шебекинский	58,9	7,6	0,4	1,2	10,1	2,8	3,4	0,4	15,2
2	Бой тарного стекла	65,2	10,7	0,8	1,2	6,5	0,7	14,7	0,2	-
3	Мел Белгородский	1,3	0,7	0,1	0,1	54,7	0,3	-	-	42,8
4	Известняк Яшкинский	1,7	0,8	0,1	0,4	52,3	1,1	1,2	0,2	42,2
5	Магнезит Саткинский	1,2	0,9	0,2	0,4	0,8	46,0	0,5	0,3	49,7
6	Доломит Щелковский	0,8	0,2	0,1	0,2	30,9	22,8	0,7	0,2	44,1
7	Диатомит	82,8	6,1	0,1	3,1	0,8	0,6	1,3	0,1	4,5
8	Опока	76,9	8,1	0,2	4,2	2,1	0,9	1,8	0,2	3,9
9	Трепел	74,2	7,2	-	2,4	6,6	1,1	0,6	0,1	8,6

Пример. Взвесили предварительно высушенный измельченный и просеянный через сито с размером отверстий 0,1 мм Шебекинский суглинок в количестве 7,8 кг (78%), добавили 2,2 кг (22%) заполнителя в виде гранул, полученного из совместно молотых до удельной поверхности 400 м²/кг компонентов: стеклобоя - 1,260 кг (60%), диатомита - 0,841 кг (40%), гидроксида натрия - 0,025 кг (3,0% к массе диатомита), мела - 0,074 кг (3,5% к массе стеклобоя и диатомита); гранулированного, просеянного через сито с размером диаметра ячеек 2,0 мм и оставшегося на сите 0,1 мм и гидрофобизированных для получения оболочки - обработкой расплавленным парафином в количестве 5% по отношению к массе гранул, см. табл.2, смесь 1.

В табл. 2 приведены состав шихты и свойства стеновых керамических изделий.

Смесь сухих компонентов (глину и заполнитель) увлажняли водой до формовочной влажности, перемешивали до равномерного распределения заполнителя и глины. Образцы сырцовых изделий из полученной смеси формовали пластическим способом на ленточном прессе. Образцы высушивали до остаточной влажности 0,5...2%, а затем обжигали при температуре 910°С, аналогично способу, описанному в патенте РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005.

После охлаждения образцы изделий испытывали на прочность, определяли общую усадку. Результаты испытаний приведены в табл.2 (смесь 1). Известные составы масс 10 (пластический способ формования) и 14 (полусухой способ формования изделий) изготавливали согласно прототипу (Патент РФ №2277520, кл. 6 С04В 33/02, 2005, табл.2, состав 1).

Изделия из смесей 4-6 и 11-13 (табл.2) получали способом полусухого прессования.

Анализируя результаты физико-механических испытаний серии экспериментальных образцов, можно сделать вывод, что формированию пористой структуры обожженных керамических материалов с заполнителем способствует совместный помол стеклобоя, природных осадочных высококремнеземистых пород, гидроксида натрия и порообразователя до достижения удельной поверхности 300...500 м²/кг.

Анализ данных табл.2 результатов испытаний образцов стеновой керамики показывает следующее.

1. Все смеси 1-14 отвечают требованиям ТУ 530-95 «Кирпич и камни керамические».

2. Введение в состав керамической массы заполнителя в виде стеклобоя, молотого совместно с природными осадочными высококремнеземистыми породами, гидроксидом натрия и порообразователем, гранулированного и гидрофобизированного, в заявляемых количествах и размером зерен 0,1...2,0 мм, а также последующий обжиг при температуре 890-925°С, позволяет получать прочные высококачественные стеновые керамические изделия с регулируемой усадкой при обжиге.

3. Обожженные керамические изделия, полученные из сырьевых смесей 3, 6, 9 и 13, имеют отрицательную усадку, т.е. наблюдается равномерное увеличение линейных и объемных размеров с допустимыми поверхностными дефектами обожженных образцов по сравнению с размерами исходных сырцовых изделий.

4. Уменьшать количество гранулированного заполнителя в сырьевых смесях менее 3 мас.%, а также количество природных осадочных высококремнеземистых пород по отношению к массе стеклобоя менее 5 мас.% и снижать температуру обжига менее 890°С нецелесообразно, т.к. получаемые керамические изделия по комплексным техническим характеристикам получаются недостаточно качественными из-за наличия усадочных явлений при сушке и обжиге, и несмотря на то, что физико-механические характеристики изделий отвечают требованиям ТУ 530-95, составы 2, 5, 8 и 12 из-за наличия трещин допустимого размера приняты как граничные.

Увеличение количества гранулированного заполнителя в сырьевых смесях более 40 мас.%, а также количества природных осадочных высококремнеземистых пород по отношению к массе стеклобоя свыше 80 мас.% и повышение температуры обжига более 925°С нецелесообразны, т.к. происходит падение прочности получаемых стеновых керамических материалов за счет появления дефектов расширяющейся структуры обжигаемых изделий и нарушения геометрических размеров. По этой причине, несмотря на то, что физико-механические характеристики изделий отвечают требованиям ТУ 530-95, составы 3, 6, 9 и 13 приняты как граничные.

Заявляемая сырьевая шихта для изготовления стеновых керамических изделий имеет следующие преимущества:

1) при оптимальных соотношениях компонентов в сырьевых шихтах предел прочности при сжатии получаемых изделий увеличивается до 26%;

2) полученные в результате обжига стеновые керамические изделия имеют однородную замкнуто-поризованную упрочненную структуру с минимальными объемными усадочными дефектами.

Физико-химическая сущность технического решения достижения задачи заключается в следующем: введение в состав гидрофобизированного заполнителя, состоящего из совместно молотых стеклобоя и порообразователя, дополнительно природных осадочных высококремнеземистых пород и гидроксида натрия, позволяет регулировать температурный интервал их вспенивания. Температура вспенивания гранул подобранного состава, учитывая степень термопластичности глинистого компонента, составляющего матрицу стеновой керамики, позволяет получать изделия с регулируемой усадкой при обжиге. Процесс вспенивания гранул заявляемого состава создает равномерный распирающий эффект, который активно препятствует возникновению и развитию огневой усадки стеновых керамических изделий в процессе термообработки. При повышении температуры от 890 до 925°С природные осадочные высококремнеземистые породы, гидроксид натрия и стеклобой переходят в жидкую фазу и активно взаимодействуют с частицами глины по всей поверхности поры, обеспечивая образование армирующих кристаллических структур в зонах контакта «пора-керамика», т.к. вводимые природные осадочные высококремнеземистые породы и гидроксид натрия в присутствии расплавленной стеклофазы, образующейся из порошка стеклобоя, при температуре обжига керамических изделий формируют объемную прочную кристаллическую структуру даже при пониженных температурах. Рентгенофазовые исследования показывают, что эта структура сформирована в основном из кристаллов волластонита и анортита. К этому времени глинистая составляющая сырьевой массы создает прочный структурный скелет материала, который закрепляет практически малоусадочную структуру изделия. Авторами установлено, что высокая плотность остеклованных стенок пор, сформированных при температурах 890...925°С путем взаимодействия глинистых частиц, примыкающих к порам, с расплавленной стеклофазой из материала гранул, определяет высокие эксплуатационные характеристики получаемых стеновых керамических изделий. При охлаждении обожженного изделия эти упрочненные участки, равномерно распределенные по объему полученных керамических изделий, препятствуют трещинообразованию, этим объясняется их высокая прочность и малое водопоглощение даже при снижении плотности готовых изделий по сравнению с прототипом (доказано микроскопическими и петрографическими исследованиями). Обеспечение равномерной замкнутой пористости с упрочненной внутренней структурой в керамических изделиях также обусловливает существенное улучшение их прочностных характеристик по сравнению с прототипом.

Сырьевая шихта для получения стеновых керамических изделий по прототипу, не включающая дополнительно природные осадочные высококремнеземистые породы и гидроксид натрия, не позволяет достичь высокого результата, реализованного в заявляемом способе, т.к. армирующие кристаллы формируются в незначительном количестве (доказано рентгенофазовыми исследованиями).

Получаемые по заявляемому способу стеновые керамические изделия обладают хорошими декоративными характеристиками.

Использование заявляемой сырьевой шихты решает задачу расширения арсенала технических средств при изготовлении прочных малоусадочных и безусадочных стеновых керамических изделий (кирпича, блоков, стеновых панелей и др.), позволяет расширить сырьевую базу за счет применения в качестве сырья экологически чистых природных материалов - диатомита, опоки, трепела и глин с большими усадочными свойствами при термообработке, ранее для производства стеновых керамических изделий не использовавшихся, причем данная технология не требовательна к чистоте исходных материалов.

1. Способ изготовления стеновых керамических изделий, включающий смешивание молотой глины в количестве 60-97 мас.% с заполнителем - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра, включающего стеклобой, молотый с порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, и оболочки из гидрофобизатора, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, увлажнение, формование сырцовых изделий пластическим способом, либо способом полусухого прессования, сушку и обжиг, отличающийся тем, что при помоле стеклобоя и порообразователя дополнительно вводят природные осадочные высококремнеземистые породы в количестве 5,0-80 мас.% от содержания в смеси стеклобоя и указанных осадочных пород и гидроксид щелочного металла в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе указанных осадочных пород, при этом количество порообразователя составляет 1-6% от смеси стеклобоя и указанных осадочных пород, обжиг проводят при температуре 890-925°С.

2. Сырьевая шихта для изготовления стеновых керамических изделий способом по п.1, включающая молотую глину 60-97 мас.% и заполнитель - остальное в виде гидрофобизированных гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра, включающего стеклобой, молотый с порообразователем - карбонатом кальция и/или магния, и оболочки из гидрофобизатора, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, отличающаяся тем, что ядра вышеуказанного заполнителя дополнительно содержат природные осадочные высококремнеземистые породы в количестве 5,0-80 мас.% от смеси стеклобоя и указанных осадочных пород и гидроксид щелочного металла в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе указанных осадочных пород, при этом количество порообразователя составляет 1-6% от смеси стеклобоя и указанных осадочных пород.

3. Заполнитель сырьевой шихты по п.2 для изготовления стеновых керамических изделий, в виде гранул размером 0,1-2,0 мм, состоящих из ядра и оболочки из гидрофобизатора, причем ядро включает смесь дробленого боя стекла и порообразователя - карбоната кальция и/или магния, при этом количество гидрофобизатора составляет 1-10% от массы заполнителя, отличающийся тем, что материал ядра содержит природные осадочные высококремнеземистые породы в количестве 5,0-80 мас.% от смеси стеклобоя и указанных осадочных пород и гидроксид щелочного металла в количестве 1,5-4,0% по отношению к массе указанных осадочных пород, при этом количество порообразователя составляет 1-6% от смеси стеклобоя и указанных осадочных пород.