автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Керамические композиты на барханных песках

МПС РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ШАКИРОВА Зульфип Вильдановна

УДК 691.421:691.222 (043.3)

КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ НА БАРХАННЫХ ПЕСКАХ

05.23.05 — Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА — 1994

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения .

Научный руководитель:

доктор технических наук, почетный профессор, член-корреспондент АТР, академик В.И.СОЛОМАТОВ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.А.СОКОЛОВА

кандидат технических наук К.И.ЛЬВОВИЧ

Ведущее предприятие: Центральный научно-исследователь-

: скии проектный и технологический

институт монолитного домостроения (ЦНИПИ монолит)

Защита диссертации состоится « » — 1994 п

в '/У часов в аул. --/¿2.-/О на заседании специализированного совета ВАК Российской Федерации Д 114.05.08 по специальности 05.23.05 «Строительные материалы и изделия» Московского государственного университета путей сообщения по адресу: 101475, г. Москва, ул. Образцова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » —_ ¡994 г_

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент В.И.КЛЮКИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В соответствии с концепцией развития строительной индустрии Туркменистана, отличающегося,, как известно, сухим и каркшл климатом, основным строительным материалом долнен стать керамический кирпич. В частности, уяе к 1936-1997 годам 60-ВСЙ всего жилья, построенного, например, в

Ашгабате, должно бить возведено кз керамического кирпича.

Такое резкое увеличение потребности в строительной стеновой керамике обуславливает возникновёние многих проблем, наиболее важной из которых является проблема обеспечения глинистым сырьем. Последнее связано с тем, что разведанные месторождения КОНД1ЩИОННОГО глинистого сырья для получения керамического гир~ пича, а также запасы глин на этих месторождениях в-стране ограничены. На территории Туркменистана /по состоянию на 01.01.1990 г./ разведано 12 месторождений кирпичного сырья, разрабатывается 5 гэстороздений. При этом наблюдается следующая закономерность - разведанные месторождения глинистого кир-'. личного сырья расположены вдоль железной дороги и сосредоточен« в районах, непосредственна прилегающих: к Ашгабату, Теднену, Байрамалы.Чаадаеву, Кеноу]эгенчу, Газандаыку. Иными словами, месторождения кирпичного -сырья 'повсеместно не распространен;: по территории республики и , следовательно, их" освоение связано с -большими транспортными расходами. Если к этому добавить, что запасы .сырья на этих месторождениях ограничены • и, что очень важно. , их освоение сопряжено со значительными экологическими проблемами, с разрушением больших территорий, пригодных для' культурного земледелия, то становится ясним необходимость изыскания альтернативного' сырья для производства кирпича. Таким сырьем для получения кирпича являются

недефицктше, достушше, повсеместно распространенные по территории Туркменистана барханные пески.

Все сказанное определило цель диссертационной работы - разработка и исследование эффективных составов стенового керамического материала на бархашшх песках и рациональной технологии получения строительного кирпича на его основе.

Для реализации поставленной цели потребовалось решение следующих задач :

1. Выявить условия рационального "лспользования карбонат-содер-:;а^1х рархаиных песков в керамических материалах.

2. Разработать оптимальные составы стенового керамического материала на барханных песках.

3. Выявить особенности (формирования структуры и свойств керамических материалов на карбонатсодержащем сырье.

4. Разработать ресурсосберегающую технологии производства керамического кирпича на барханных песка;:.

5. Исследовать основные свойства керамического материала на барханных песках и кирпича на его основе.

Научная новизна -работы заклхтется в вняр-лении особенностей структура о браз ованяя керамических композитов на бархашшх песках, в получении новых данных о формировании свойств'керамических материалов на карбонатсодераащем■ сырье, в установлении новых данных о кинетике процесса карбонизации в материалах и злияняя карбонизации на прочность материала.

Пр..кпиес'ко'е, значение работы- заключав, ется в разработке безглиаяных составов керамических материалов на бархаквих песках, в выявлении оптимальных условий .использования бархаших лесков в керамическом материале.

Реализация работа, На Ашгабатском комбинате строительных материалов была выпущена опытная партия кирпичей разработанных составов. Экономический эффект от эаадрвшя составил 18 тыс.рублен по состоянию на 1990 год.

Апробация. По результата*I исследований бил сделан доклад на Республикатской научно-ярактичеакоЯ конференции "Сейсмостойкое строительство и строительные материалы" в г. Ашгабате .

Публикации. По теме диссертации опубликована-. -• одна статья, получено авторское свзтаетелъство. Результаты исследований, проведенных в настоящей диссертационной работе, нашш отражение в Государственных стандартах Туркменистана.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка использованной литературы 117,наименований, изложена на 158 страницах машинописного текста с -36 . -■ рисунками к 42 таблицами я двух приложений.'

Алтор вкра-гает глубокую лрязиатолыюсть кандидату технически наук Лннаову Сердару Чарнзвичу за ценные советы /. замечания ,.высказанные ям в процессе внаолкешух данной диссертационной работы.

СОДЗРГАКЕЗ РАБОТЫ

Во-вЕздёнии обоснована актуальность проблема, а также научная новизна и ее. практическое значение.

В первой главе изложен аналитически;* обзор литературы по состава:.-, и свойствам стеновых керамических материалов, особенности.".-формирования структуры керашческих материалов на' карбокатсодеркацем с-крье, современны;.: технология!.! производства, керамического кирпича, определены задачи диссертационной работы.

Обзор литературных ¡гсточни/.оз свидетельствует, что современное кирпичное л^сп.'во^ство, в сснозно:.', осуществляется с ио—

пользованием кондиционного глинистого сырья. Проблемы получения керамических стеновых материалов на основе карбонатсодержащего сырья, и в особенности, барханных песков, являются мало' исследованными. При применения карбонатсодеркащего сырья в производстве керамического кирпича основную'опасность представляет собой избыточное количество оксида кальция, оставшееся в кирпиче после обжига, которое вследствие гидратации на воздухе, приводит к саморазрушению. Для преодоления этого негативного воздействия в настоящее■время используются различные технологические приемы, а именно: предварительное механическое.измельчение карбонатсодер-жащего сырья, введение различных добавок, использование ¡зликер-ного способа изготовления образцов, изменение состава газовой среды в процессе обжига, гидрообработка обожженных изделий. Определено как псюжительное, так и отрицательное влияние карбонатов , на процесс спекания керамических материалов.

Из анализе литературных данных счедует, что на формирование структуры а свойств•кер. мических композитов на карбонатсодержащем сырье оказывает влияние.дисперсность карбонатных включений, их количественное содержание, интенсивность взаимодействия их с составляющими, -вяжущего на границах раздела фаз*- то есть зависят от структурообразующих факторов, лежащих в о.снове полиструктурной' теории, разрабатываемой вро$ессором Б.И,Соломатовым и его школой.

Струкгурообразовагшэ керамических кошозитов на карбонатсо-держащем сырье изучено недостаточно полно,, не определены оптимальные показатели дисперсности и степени наполнения, что в известной мере сдерживает применение барханных песков в производстве керамических материалов. Была рассмотрены современные технологии производства керамического.строительного кирпича. При использовании карбонатсодержащаго сырья наали применение полусухой и плаоти-. ческкй 'способы формования.

Во второй глава приведены характеристики использованных материалов и описаны методы исследований.

В экспериментах были использованы в качестве исходного сырья: барханные пески Ашгабатского, Гекдепинского и Дашховузско-го местороаденик, известь Келятянского месторождения. В качестве добавок нашли приме ¡екие техническая сода, силикат-глыба, стеклобой, а также т.лческие реактивы марки "ХЧ" - натрий фтористый, борная кислота, карбонат кали~, сульфат меди и др.

Следует отметить, что барханннэ пески - шшиящеральщге, количественно преобладает кварц, содержат значительное количество карбонатов: в песках Ашгабатского месторождения: - 20$, Гекдешгаского месторождения - 21,1%, Дашховузского местороадения - 16,8$. по зерновому составу барханные пески мелкие.'По этой причине, а также вследствие высокой пустотности, эти пески принятсг считать некондиционными.

Исследования физико-механических, физико-химических свойств исходных компонентов производились с использованием известных механических, физико-химических и математических методов исследований. Испытания сипикетно-керамического материала и кирпича на его основе • производили в соответствии о действующи .-и стандартами. Лабораторные исследования производили на образцах-цилиндрах диаметром и высотой,- 5 см и на кирпичах стандартных размеров: 25х1цхо,& /см/. Использована следующее лабораторное оборудовало: щелевая дробилка,, ааровая мельница, 10-тонные и 50-тонные пресса, сушильные шкафы, электрические муфельные печи. ." .

Важное значение в описанных методах исследования имеет понятие активного' оксида кальция и количественное определение его содержания. Содержание активного оксида кальция определялось са-харатнкм методом.

Проведены статистическая обработка экспериментальных данных к математическое планирование эксперимента. В результате проведенного математического анализа были выявлены: прямая зависимость глекду температурой обжига и прочностью при сжатии, обратная зависимость между содержанием активного оксида кальция и прочностью при сжатии. Полученные уравнения регрессии дают возможность прогнозировать прочность кера\аческого композита на барханных песках.

В третьей главе проведено исследование керамических свойств барханных песков, рассмотрено влияние различных до^ бавок на формирование структуры и свойств керамического материала на барханных песках.

Исследования керамических свойств барханных песков различных месторождений позволяют сделать вывод о том, что барханные пески в "чистом' виде непригодны для получения стеновой керамики. Полученный -а "чистом" песке материал тлеет низкие . .-• показатели, прочности при сжатии после (формования, а также сушки - соответственно 0,05-0,20 и 0,35-1,71 МПа. Показана не.об- • ходимост.ь использования барханных песков в молотом виде.

Изучено влияние Добавок комдлексного действия па свойства песчаной-керамика. В качестве таковых была отобрана целая серия добавок.и их композиций.'В частности, использовали такие добавки, как известь, силикат-глыбу, стеклобой, соду, натрий фтористый, двууглекислый калий, сульфат меда, углекислый барий, борная кислота, бура. В качестве добавки-вялсущего была использована иззесть как наиболее элективный и достаточно кедефи-цитный для Среднеазиатского региона материал.

Добавка, содержащие щелочные и щелочноземельные' оксиды, • испатьзовались'с целью,уменьшения температуры образования

жидкой фазы - расплава. Количество жидкой фазы должно клеть оптимальные пределы: слишком малое количество жидкой фазы недостаточно для выполнения основных функций по перекристаллизации твердых компонентов смеси а сцеплению между собой, отдельных кристалликов. Наоборот, чрезмерное количество расплава делает керамику менее прочно!! по отноаению к механическим, тер-МИЧ8СКИМ ВОЗДбд ствиям, химической стойкости. Известно, наиболее активное влияние на спекание изделий оказывает не раздельный, а совместный ввод материалов, содержащих щелочные и щелочноземельные оксиды, причем в определенных соотношениях

Нами были использованы комплексные добавки: сода - окли-кат-глкба, сода - стеклобой, сода - кагализатораал крошка. Применяемые добавки использовались как добавки, сийжшцие температуру обжига, способствующие' связыванию.оксида кальчия и как достаточно доступные. Эти добавки широко применяются в ' строительной керамике. Применение комплексных добавок позволило снизить:температуру обжига до 1050°0. Наиболее эффективными добавками из серии предложенных оказались сода т силлкат-глыба, .сода — стеклобой: рода -'1,5...1,6 % и стеклобой - Ь...10 % , сода' - 1,5...1,6 % п силикат-глыба - 4...3 %. Ва»1 о отметать, что применение комплексных добавок приводит к поникеишз колп-че'ства свободного оксида кальция с увеличением температурн обжига. • •

Учитывая' четырехкомпонентность предложенных сеставов и связанную ,с зтш.1 негехнологичность, были изучены тр'ехкомяоиеит-ные смеси,-для поучения .кера>/«кл на основе барханных песков.

Добавками в них такие служили сода, натрий фтористый, потаи, углекислый барий, бура, борная кислота, катализаторная крошка и др. Применение бо_рной кислоты привело к снихекип

температуры обжига, но прочность образцов после формовки и • сушки низкая. Введение буры, поташа, углекислого бария не дало ожидаемых, результатов. Применение фтористого натрия в роли сильного плавня дало положительный результат. Температуру обжига керамических масс, ииадщих в своем составе фтористын натрий, в количестве 2,5 % по массе, .моино снизить до 10Ш°С, при этом сохраняется достаточная прочность образцов, водопоглоще-ние образцов менее 20 %, содержание активного оксида кальция не более 2 % по массе. Однако прочность после формовки недостаточно высокая.

Использование соды в керамических массах в' количестве 3...5 %, по массе приводит к приемлемым дня стеновой керамики технологическим характеристикам, поэтому для разработки оптимальных составов использовалась в качестве добавки-модификатора техническая сода.

' В результате проведенных ^язико-механических и физико-химических /термографических и рентгенографических/ исследований но влиянию различных добавок на формирование свойств керами- • ческих изделий был получен оптимальный состав для изготовления' керамического кирпича-, содержащий /в % по массе/: 3...5 > сойы технической, 3...4 % извести и v?2...94 % барханного песка, имеющий следующие технологические характеристики: прочность после формовки и сушки составляют соответственно 0,288 и 6,572 МПа, прочность при сжатии после обжига не менее 16,0 Миа, водопоглощение не более 23 %, средняя плотность не более 1600 кг/м3. Полученные характеристики вполне приемлемы для стеновой керамики.' При этом .содержание активного оксида кальция в обожженном материале•не превышает 2,3 % по массе. По .данным рентгеноструктурвого анализа-присутствуют фазы: кварца,

волл'астонита, полевых шпатов /альбита/, крисгобадлита и кое--гдё' оксида кальция. По данный термографического анализа были выявлены экзотермические эффекты разложения гадроксида кальция, диссоциации карбоната кальция и полиморфного превращения кварца.

Исследована возможность получения керамического материала на барханных песках'без использования извести. При этом исходили из того, что барханный песок, содержащий в своем составе не менее 20 % карбонатов, после соответствующей термоактква-ции /а-именно обжига/ должен обладать определенными-вялсуикми свойствами, за счет образующегося при обжиге оксида калх-цпл. В частности, как показали исследования при оптимальней температуре обжига 950...980°С в тёченио 1-1,о часов,, получается термо-актквировангшй барханный песок с содержанием суммы активных оксидов кальция ;; ?гг чгая более 10 %. Разработана и исследованы составы'керамического материала на терпоактивкрованном барханном песке. В смесь, состоллцпд из необожженного барханного песка и флюсующей добавки /соды/ добавлялся обожженный барханный песок,' количество в экспериментах которого варьировали з границах 0. ..97 % по массе. Процесс получения конечгого кереглтеъс-кого материала при этом такой ие, как и в случае применения необожженного песка, то есть происходит по схеме: совместный помол трехкомпонент.ной смеси, -гагсенко, прессование, сушка, обжг.

Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вы-'вод: применение взаме" извести в качестве вяжущего оборонного песка позволяет получить эад/ективнуд строительную ;а'/1»:ку со следующим- оптимальным соотношением компонентов /з $ по массе/: обожженный барханный песок-40...50 %, сода-3...5 %, неойогкек-,ннй барханный песок-остальное.

• Интересно отметить, что с увеличением и материале количества обожженного барханного песка, наблюдается немонотонное изменение .прочности при сжатии после сушки л обжига - названные .характеристики имеют теденцшо к возрастанию до максимального значения, после чего прочность понижается. При атом максимум прочности после сушки и обжига приходится нм содержание обогнанного барханного песка в материале 40...50 % по массе. Ка первый взгляд такие результаты нелогичны. Действительно, увеличение количественного содержания в материале обожженного песка сопровождается повышением количества суммы активных ок-.сидов 'кальция и магния в исходной смеси /в % по массе/, что, вообще,, говоря, в свою очередь, должно позитивно влиять на прочность после сушки материала, в смысле ее монотонного повышения. Аналогично, прочность после обжига материала также должна монотонно возрастать с увеличением количественного содержания, обожженного песка в связи -с тем, что введение в материал .предварительно обожженного песка способствует уплотнению керамики, а следовательно, ее упрочнению, вследствие удаления газа СО2 из песка уже при его предварительном обжиге. Однако^ на практике этого не наблюдается. По-видимому, такие практические результаты связаны со следующим. Увеличение количества обожкенного песка' в материале приводит к уменьшению содержания карбонатов /кальцита/ в системе. Однако, по данным Будни-кова кальцит способствует интенсификации превращения оксида кальция, и его присутствие в этой связи необходимо для получения материала с повышенной прочностью после сушки. Химическое взаимодействие между известью и песком:при водотермическЛ1 обработке происходит , главным образом, на поверхности зерен песка с образованием кристаллических гидросиликатов кальция,

низации происходит во время измельчения и в меньшей степени в процессе Ендержквания масса « при сушке. Иными словаки, карбонизация преимущественно происходит до стадии (уормования, то есть создания материала как такового. Следовательно, напрашивается очень важный на паи взгляд вывод о том, что положгаелъное плия-нпе соды на прочность высушенного материала обусловлено не только л не столько реакцией карбонизации, сколько "срастанием" вновь образованных частиц карбоната кальция друг с другом с об~ раэованием известнякового каркаса. Установлено также, что до обжига процент активного оксида кальция уменьшается по мере связывания его в различные химические соединения / а это могут ■ ¿¡да : карбонаты кальцхя, гидраты оксида кальция, гидросилиса-ты кальция /.

В четвертой главе приведены результаты определения оптимального способа приготовления массы, продолжительности гашения, массы, оптимальных условий формования массы, оптимального режима сушки и обжига, составлены схемы технологического процесса производства кирпича на барханном песке и термоакти-вированпом барханном леске.

С целью определения оптимального способа приготовления смеси были исследованы три технологических варианта:

1. Совместное измельчение песка и извести, далее совмещение полученной смеси с водой - гашение, затем формование, сушка, обжиг.

2. Предварительное гашение извести водой, совмещение приготовленного известкового молока с заранее измельченным барханным леском / до необходимой удельной поверхности /, далее формование, сушка, обжиг.

3. Гаиение извести частью воды / иолучешг гидратиой кззестн--пушонхи '/, совместное измельчение песка и гидраткой извести -

- совмещение с оставшейся частью воды - формование, сулка, обгиг.

- iS -

Исследования показали, что способ приготовления маосп путем совместного измельчения всех компонентов, увлажнении и последующего гашения является наиболее эффективным п условиях реального производства. Увеличение продолжительности гашения смеси до 24 часов не сказывается существенным образом на конечных свойствах получаемого материала. С учетом того, что промышленные реакторы рассчитаны на 1-4 часовое гашение, продолжительность гашения предлагаемых смесей мохно считать 3-4 часа. Максимальными. .прочностными характеристиками обладают составы, влажность которых лежит в, границах 5,Ь...7,0 %. Важной характеристикой, влияющей да конечные свойства стеновых керамических материалов,, является давление прессования. С повышением давления прессования увеличиваются прочностные характеристики материала. Учитквая, что при давлении прессования'15 Hila, получают. ся образца с .приемлемым прочностными характеристикам и с технологической точки зрения можно считать давление прессования,, равное .25 Ша, оптимальным.

Для определения оптимального реглма суаки кирпича изучено

влияете различных тешёратурно-времениых режимов сушки на изме-

i

ненке массы и прочности кирпича. Оптимальным является режим сушки при температуре 150°С, лпемя сушки не более 10-1И часов. Определено, что оптимальном температурой обжига моето считать температуру 1100-1120°С, продолжительность обжига - ¿-4 часа.

Выявлено, что показатели .прочности /11,6 МПа / и средней плотности / 1760 кгh? f кирпича удовлетворяют стандартным требованиям. Необходсимо отметить,. что средняя плотность киргшча' размерами 25x12x6,5 /си/ по сргрненка с керамичесюш образцом размерами 5x5./см/ незначительно вше, это можно объяснить фактором масштабности, то есть коздАЛЦиент отношения поверхности к объему у керамических осразцов размерами' 5хо /см/ больше,

чем коэффициент отношения поверхности к объему у керамического кирпича стандартных размеров.

С учетом проведенных исследовании составлены технологические схемы производства керамического кирпича на барханном песке и термоактивированном барханном песке.

В п я т о. й главе проведено исследование физико-механических свойств керамического материала на барханных песках / средней, плотности, прочности при сжатии после обстга, морозостойкости, химического сопротивления - водостойкости, киолото-стойкости, щелочестойкости, атглосферостойкости/.

Получаемый кирпич по показателям средней плотности и прочности соответствует стандартным требованиям. Установлено, что силикатно-керамический материал как на барханном песке, так и на термаактлвярованном барханном песке обладает высокой кисло-тостойкостыо / 92-99 % / и ¡целочестойкостыо / 98-99 % /, что соответствует нормативным требованиям. Определено, что с учетом прочностных испытаний / нет трещин, отколов, шелушений, насолов / морозостойкость сшшкатно-керамических образцов не менее 35 циклов. Керамический материал как на барханном песке, так и на термоактивированном барханном песке имеет высокую атмосферо-стойкость.

основные вывода

1. Впервые разработаны и оптимизированы безглиняные составы керамического "материала ка барханных песках, позволяйте по, . лучить керамический кирпич с содержанием барханного песка

2. Изучение керамических свойств барханных песков привело к выводу о невозможности их использования в чистом виде и необходимости.применения различных добавок и технологических воздействий для .получения эффективной стеновой керамики.

3. Разработана рациональная технология получения керамического кирпича на барханных песках.. Установлены оптимальные условия подготовке исходных 1-омпонентов, способ приготовления керамической массы, способ формования массы, режимы сушки и обжига керамического кирцича на барханных песках.

4. Исследованы физико-механические свойства керамических материалов ка барханных песках. Полученные показатели но средней плотности, прочности, водопоглощени», морозостойкости, химическому сопротивлению керамического кирпича на барханных песках соответствуют стандартным'нормам.'."

5. Установлена возможность применения в производстве керамического кирпича теркоактивированяого барханного леска. Выявлен оптимальный режим модификации бгрханного песка.

5. Изучение влияния степени наполнения и дисперсности наполнителя привело к появлению нового показателя - критерия долговечности / качества / керамического материала ко содержания' активного оксида кальция. Определен предел допустимого содержания активного оксида кальция в керамике на барханных песках, равный 2,3 % но массе..

7. Изучен процесс карбонизации, происходящий от момента совмещения исходных компонентов до получения готового керамического материала.. Установлено, что процесс карбонизации происходит неимущественно на стадии подготовки / смещения и сов;:ест кого измельчения / исходных компонентов и незначительно на стадии.сушки керамического образца. Установлены особенности

влияния карбонизации на-прочность материала. ■

8. Выпущенная на Лшгабатском комбинате строительных материалов опытная партия керамического кирпича на барханных песках позволила получить экономический эффект в размере 18 тыс.руб. по состоянию на 1990 год.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах :

1. Чощошев К.Ч., Аннаев СЛ., Шакирова З.В. О .путях использования карбонатсодержащих барханных песков в керамических материалах.-Сейсмостойкое строительство и строительные материалы/ Тез.докл.респ.научно-практ.кон^.-Ашгабат, 1990, с.96-98.

2. А.С.1733428 /СССР/. Сырьевая смесь для изготовления строительного кирпича./Научно-исследовательский институт сейсмостойкого строительства Госстроя ТССР". авт.изобр. С.Ч.Аннаев, , К.Ч.Чощшиев, В.И.Соломатов, Т.А.Довмат, З.В.Шакирова и А.С.Ско-пова.-3аявл.18.06.20. Jé'4839631/33, опубл. в Б.И. 15.05.92.,)'* 18.