автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Лицевой керамический кирпич из пылеватых суглинков с декоративным порошковым полимерным покрытием

На правах рукописи

Шаравин Юрий Алексеевич

ЛИЦЕВОЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КИРПИЧ ИЗ ПЫЛЕВАТЫХ СУГЛИНКОВ С ДЕКОРАТИВНЫМ ПОРОШКОВЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 [/|Ди 2012

Новосибирск - 2012

005016632

005016632

Работа выполнена на кафедре строительных материалов и специальных технологий ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель Машкин Николай Алексеевич

Официальные доктор технических наук, профессор, заведую-оппоненты щий кафедрой «Здания, строительные конст-

рукции и материалы» Сибирского государственного университета путей сообщения Ананенко Алексей Анатольевич

доктор технических наук, профессор кафедры общей химии Московского государственного строительного университета Покровская Елена Николаевна

Ведущая Сибирская государственная автомобильно-

организация дорожная академия (г. Омск)

Защита диссертации состоится «22» мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.171.02 при Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по адресу: 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, ауд. 239. E-mail: sovet@sibstrin.ru. тел/факс (383) 266-55-05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин).

Автореферат разослан « /cfi^/wu г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ^_-

доктор технических наук (^-Зг^^-Т'---' Бернацкий А.Ф.

профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время жилищное строительство характеризуется высокими темпами роста. Вместе с тем, отсутствие производства облицовочных материалов в Новосибирской области и значительное отставание качества стеновых материалов от потребностей строительства, а также необходимость улучшения внешнего вида строительных материалов и архитектурного облика зданий делают актуальным вопрос получения из низкосортного глинистого местного сырья на действующих предприятиях разноцветного лицевого кирпича, являющегося одновременно и стеновым материалом.

Основная научно-техническая задача диссертационного исследования заключается в использовании местного низкосортного глинистого сырья для изготовления керамического кирпича высокого качества и отработке промышленной технологии нанесения на него полимерных декоративно-защитных покрытий. Покрытия должны улучшать декоративные свойства стеновой керамики, быть стойкими и долговечными в эксплуатационных условиях. Задача является приоритетной для Уральского и Сибирского регионов, не располагающих достаточными запасами легкоплавких пластичных глин, которые необходимы для производства лицевого кирпича разнообразной цветовой гаммы.

Использование полимерных композиций для создания декоративных покрытий на лицевой поверхности керамического кирпича обусловлено высокой стойкостью полимеров к температурно-влажностным воздействиям, хорошей адгезией к минеральной основе, неограниченным количеством цветовых оттенков.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом работ НГАСУ (Сибстрин) по направлению «Разработка новых строительных материалов и ресурсосберегающих технологий их производства» в 2005 - 2012 гг. и в координации с программами развития строительной индустрии Новосибирской обл.

Объект исследования - тощие пылеватые суглинки Западной Сибири и керамические стеновые изделия дисперсного армирования на их основе с декоративным порошковым полимерным покрытием лицевых поверхностей.

Предмет исследования - влияние металлонаполнителя на

структуру и свойства керамического кирпича дисперсного армирования, а также на стойкость и долговечность порошкового полимерного покрытия на лицевых поверхностях керамических изделий.

Цель диссертационной работы - разработка научных и технологических основ получения и управления структурой лицевого керамического кирпича из умеренно-пластичных суглинков Западной Сибири за счет дисперсного армирования и расширение цветовой гаммы изделий путем нанесения полимерных декоративно-защитных покрытий.

Для достижения цели были поставлены и решены задачи:

1. Исследовать вещественный состав и технологические свойства глинистого сырья (суглинки Западной Сибири).

2. Исследовать влияние добавок (бой тарного стекла, металлические опилки), улучшающих спекание суглинков, структуру и качество кирпича.

3. Оптимизировать составы и технологические параметры производства керамического кирпича дисперсного армирования.

4. Повысить физико-механические показатели керамического черепка для лицевого кирпича и расширить цветовую гамму изделий путем нанесения полимерных декоративно-защитных по1фытий.

5. Оптимизировать технологию нанесения порошковых покрытий на керамический кирпич.

6. Исследовать эксплуатационные свойства керамического кирпича дисперсного армирования с порошковым полимерным покрытием.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем разработаны теоретические положения и технологические принципы получения керамического кирпича из тощих пы-леватых суглинков с металлонаполнителем и полимерным порошковым покрытием. При этом установлено следующее:

1. Для получения керамического кирпича из тощих пылеватых суглинков Новосибирской области целесообразно использовать дисперсное армирование шихты стальными опилками (длина волокна до 2,5 мм). Добавление 2,5 мае. % металлического наполнителя обеспечивает получение кирпича марки 150. При введении 5 мае. % металлонаполнителя прочность при сжатии кирпича повышается до 20,5 МПа (марка 200). Применение металлонаполнителя также способствует повышению адгезионного сцепления порошкового поли-

мерного покрытия с поверхностью кирпича на 20-25 %, за счет более высокой адгезии полимерного покрытия к металлу, по сравнению с керамической матрицей.

2. В процессе спекания кирпича происходит физико-химическое взаимодействие между металлонаполнителем, вводимым в пылева-тые суглинки в качестве структурирующей добавки, и керамической матрицей. В результате взаимодействия образуются новые ферро- и алюмосиликатные фазы, в 2-4 раза увеличивается эквивалентный модуль упругости композита, значительно повышается прочность кирпича при сжатии и изгибе.

3. Для обеспечения стойкости к воздействию атмосферы и долговечности порошковых полимерных покрытий, наносимых при получении лицевого кирпича, предпочтительно использовать эпоксидные и полифениленсульфидные полимеры. Для достижения прогнозной долговечности покрытий в 25 лет оптимальными режимами термообработки нанесенных покрытий является температура термообработки 200 °С, продолжительность термообработки 5 минут.

4. Оптимальные технологические параметры нанесения порошковых полимерных покрытий на дисперсно-армированный кирпич предусматривают: прогрев изделия 3 мин. при 300 °С, электростатическое нанесение покрытия при напряжении электрического поля 90-100 кВ/м, закрепление покрытия в течение 5 минут при 200 °С. Прогнозная долговечность полимерного покрытия дисперсноарми-рованного металлонаполнителем кирпича в 1,4-1,5 раза выше, чем стандартного кирпича.

Техническая новизна работы подтверждена патентом РФ на изобретение № 2307109.

Практическая значимость работы.

Разработан состав шихты для получения и лицевого керамического кирпича дисперсного армирования методом полусухого прессования из пылеватых суглинков при температурах обжига 950 -1000 °С, прочностью при сжатии до 30,3 МПа, морозостойкостью 50 циклов.

Разработан технологический регламент нанесения порошковых полимерных покрытий на керамический кирпич. Выполнены опытно-промышленные испытания производства керамического кирпича дисперсного армирования с порошковым полимерным покрытием.

На защиту выносятся:

- положение об эффективности действия дисперсных металлических опилок в производстве керамического кирпича из глинистого сырья, с содержанием глинистой фракции менее 20 %;

- составы и технология получения лицевого керамического кирпича дисперсного армирования методом полусухого прессования из умеренно-пластичных пылеватых суглинков с прочностью до 30,3 МПа, морозостойкостью 50 циклов;

- оптимальные параметры нанесения порошковых полимерных покрытий на керамический кирпич дисперсного армирования и комплекс его физико-механических свойств;

- данные об эксплуатационной стойкости и долговечности кирпича с полимерным порошковым покрытием.

Апробация работы. Основные результаты диссертации апробированы в 2006-2012 гг. на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях в Новосибирске, Ростове на Дону, Улан-Бааторе (Монголия), Красноярске.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 12 работах, включая 4 научные статьи в журналах из перечня ВАК. Получен патент России на изобретение № 2307109.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 178 наименований, содержит 131 страницу основного текста, 28 рисунков, 52 таблицы и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы, раскрывается актуальность выполнения научных исследований по разработке теоретических и экспериментальных основ получения и управления структурой лицевого керамического кирпича из тощих пылеватых суглинков Западной Сибири.

Первая глава (Состояние вопроса и задачи исследований) посвящена анализу литературы по производству керамического кирпича из пылеватых суглинков Западной Сибири, а также технологии нанесения порошковых полимерных покрытий на строительные изделия.

В основном, глинистое сырье Западной Сибири представляет собой лессовидные пылеватые суглинки с содержанием глинистой фракции 12,1-25,5 мае. %. Пылеватые суглинки, как правило, обла-

дают низкими структурно-механическими характеристиками, имеют высокую чувствительность к сушке и плохо формуются. Поэтому такое сырье требует корректировки состава и тщательной переработки на стадии массоподготовки. Наиболее перспективным и дешевым способом является введение в керамическую шихту на основе пылеватых суглинков добавок, изменяющих структуру, как кирпича-сырца, так и обожженных изделий. В качестве эффективных структурирующих добавок предложены стеклобой и металлические опилки (многотонные отходы металлообработки).

Для повышения декоративных свойств керамического кирпича целесообразно использовать, помимо технологий глазурования и окрашивания в массе, нанесение порошковых полимерных покрытий. Введение в состав шихт металлических опилок способствует увеличению адгезии полимерных покрытий к керамической матрице. На основании анализа результатов научно-технического обзора были обоснованы и сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава (Исследуемые материалы и методы исследований) посвящена изучению сырьевых материалов и содержит описание основных методов исследования свойств сырья и керамического кирпича, в том числе порошковых покрытий.

В работе использовались представительные технологические пробы суглинков типичных месторождений Новосибирской области - Клещихинского, Болотнинского и Маслянинского. Химический состав суглинков приведен в табл. 1. По химическому составу сырье является кислым (А120з <15 мае. %), с высоким содержанием красящих оксидов и низким содержанием водорастворимых солей.

Анализ гранулометрического состава показал, что суглинки относятся к грубодисперсному сырью (глинистых частиц менее 20 масс. %) и являются пылеватыми.

По пластичности сырье относится к умереннопластичному классу. Суглинок является среднечувствительным к сушке (коэффициент чувствительности к сушке 1,13-1*20). Для производства кирпича на основе пылеватых суглинков необходимо корректировать глинистое сырье плавнями и структурирующими добавками, улучшающими его технологические свойства. Рекомендуемая технология - метод полусухого прессования.

Для интенсификации процессов спекания исследуемых суглинков использовался бой тарного стекла. В качестве добавки, упроч-

няющей керамическую матрицу и повышающей адгезию полимерных покрытий, использованы стальные опилки из стали 10 толщиной 1 мм и длиной волокон до 2,5 мм.

Таблица 1 - Химический состав суглинков

Суглинок Содержание оксидов, % по массе

ЭЮг А1203 Ре203 СаО МёО ЯгО П.П.П.

Клещихинский 60,58 12,26 4,64 5,93 2,08 3,54 7,74

Болотнинский 61,0 12,54 4,69 5,67 1,84 4,74 7,42

Для улучшения внешнего вида керамического кирпича использованы порошковые полимерные покрытия на основе полифенилен-сульфида и эпоксидных смол, стойкие в атмосфере и обладающие высокой адгезией к керамической основе.

В третье главе {Оптимизация составов шихт и технологических параметров производства керамического кирпича дисперсного армирования) приведены составы и технологические схемы производства керамического кирпича дисперсного армирования, результаты исследования процессов, протекающих в полиминеральной глинистой шихте при обжиге.

Спекание суглинков без добавок исследовалось по изменению водопоглощения и прочности при сжатии обожженных изделий. Испытуемые образцы обжигались при температурах от 750 до 1050°С. Значения прочности и водопоглощения после обжига (И^ = 9-11 МПа, W = 16-18 %) свидетельствуют о низком качестве обожженных материалов.

Введение в пылеватые суглинки стеклобоя регулирует спекание глинистого сырья при обжиге, а структурирующей добавки - метал-лонаполнителя - изменяет структуру черепка и повышает его прочность. В результате получается керамический кирпич, представляющий собой композит - материал, в глинистой матрице которого распределены стальные опилки (рис. 1.) Прочность при сжатии кирпича полусухого прессования возрастает с 11,0 до 30,3 МПа, морозостойкость - с 35 до 50 циклов.

Оптимальный состав шихты, определенный методом математического планирования, мае. %: суглинок - 76-86; стальные опилки -2,5-15; стеклобой - 3-6.

а) б)

Рис. 1. Образцы керамического кирпича с 2,5 (а) и 5 (б) мае. % металлонаполнителя

При исследовании пластического и полусухого способов производства наиболее прочным и трещиностойким оказался кирпич, полученный по полусухому способу прессования (предел прочности при сжатии до 30,3 МПа, водопоглощение 12,4 %). Высокая прочность полученного кирпича после водонасыщения - 25,5 МПа дает возможность прогнозировать его повышенную долговечность (Кразм = 0,81-0,84).

Причина повышения механической прочности и стойкости к образованию трещин кирпича при армировании керамической матрицы металлическими опилками обусловлена особенностями микроструктурного строения получаемого материала. Особый интерес при этом представляет собой межфазовая граница сталь/керамика. Для изучения физико-химического взаимодействия металлонаполнителя с керамическим черепком были проведены исследования композита с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) фирмы .ГЕОЬ с приставкой для рентгеноспектрального микроанализа (рис. 2).

Согласно СЭМ изображению, как керамическая матрица, так и армирующая ее металлическая фаза имеют неоднородное структурно-химическое состояние.

По данным рентгеноспектрального микроанализа, имеет место взаимная диффузия: Ре из стальной частицы в алюмосиликатную матрицу и, в противоположном направлении, и А1 из керамики в металл. Повышение прочности материала происходит за счет про-

цесса образования новых Ре-А1^ содержащих фаз в переходной диффузионной зоне. По полученным данным ее ширина имеет порядок нескольких сот микрон.

Рис. 2. Граница раздела сталь/керамика в композитном материале

В процессе обжига кирпича возможно взаимодействие между оксидами железа и первичным муллитом, а введение стеклобоя в шихту должно способствовать спеканию материала.

Учитывая, что модуль упругости металлонаполнителя (сталь 10) Е аРм = 210 ГПа, а керамической матрицы Е кер = 2,02 ГПа, были рассчитаны эквивалентные модули упругости композита (при разной степени армирования), которые в 2-4 раза превышают модуль упругости керамической матрицы. В результате армирования кирпича, например, 5 мае. % металлонаполнителя (табл. 2) его прочность при сжатии возрастает с 11,0 МПа до 20,5 МПа, что подтверждает результаты расчетов. В такой же степени возрастает и прочность при изгибе: с 1,6 МПа до 3,2 МПа.

Для разработанных составов шихты предложены технологические схемы получения керамического кирпича дисперсного армирования. Наилучшие результаты получены при полусухом прессовании, которое предусматривает подготовку глинистого сырья с последующим смешиванием его со стальными опилками и молотым стеклом, прессованием изделий, сушкой и обжигом.

Табл. 2 - Свойства керамического кирпича дисперсного

армирования

Метал-лона-полни-тель, мае. % Средняя плотность, р, кг/м3 Прочность при сжатии, 11сж, МПа Прочность при изгибе Лиз, МПа Водопо-глоще-ние, Wm, % Теплопроводность, X, Вт/м-°С

0 1680 11,0 1,6 18,0 0,768

2,5 1720 16,1 2,4 16,4 0,790

5 1770 20,5 3,2 15,1 0,817

10 1850 24,6 4,9 13,6 0,860

15 1930 30,3 6,5 12,4 0,903

В четвертой главе (Технология и физико-механические свойства декоративных порошковых полимерных покрытий по керамическому кирпичу) приведены результаты исследований долговечности декоративных порошковых покрытий на лицевой поверхности кирпича, определены составы и технология нанесения полимерных покрытий.

В качестве основных порошковых полимерных материалов были использованы эпоксидные композиции П-ЭП-177А, выпускаемые Ярославским ПО "Лакокраска", а также полифениленсульфид марки ПФС-Л, производства Кемеровского ЗАО «ТОКЕМ».

Перед нанесением порошковых покрытий поверхность изделий предварительно очищается. Эффективным способом обезжиривания поверхностей является прогрев изделий при температурах около 300 °С , что способствует повышению адгезии покрытия (табл. 3).

Табл. 3 - Адгезионная прочность полимерных покрытий

Полимерный материал Способ подготовки поверхности кирпича Адгезионная прочность, МПа

П-ЭП-177А (желтый) механическая очистка обезжиривание термическая обработка(300°С) 2,4 2,1 2,2

ПФС-Л (коричневый) механическая очистка обезжиривание термическая обработка(300°С) 2,3 2,0 2,1

Оптимизации технологии нанесения порошковых полимерных покрытий на фасадную керамику на стадии термообработки эпоксидного порошкового покрытия была проведена с помощью математического моделирования. Контрольным показателем при этом являлась расчетная долговечность покрытий, определяемая по результатам испытаний на ускоренное старение в аппаратах искусственной погоды и в водной среде. Анализ результатов показал, что планируемая долговечность в 25 лет достигается при оптимальных параметрах формирования покрытий: температура 200 °С, продолжительность термообработки 5 минут.

Проверка стойкости полимерных покрытий и керамической основы была выполнена методом автоклавной обработки, а также определением термостойкости изделий при давлении пара 0,35 МПа в течение 1 часа с последующим охлаждением в воде с температурой 18-20 °С. Критерием стойкости покрытия с черепком является количество циклов, которое выдерживают образцы без проявления каких-либо признаков внешних повреждений покрытия (табл. 4).

Табл. 4 - Результаты определения стойкости полимерных

покрытий методом автоклавной обработки

Вид образцов Количество циклов запаривания без признаков разрушения Дефекты покрытия

Глазурованный кирпич 3 мелкие трещины

Стандартный кирпич с порошковым покрытием 5 мелкие трещины, частичное отслаивание

Кирпич с металлонапол-иителем и порошковым покрытием 7 мелкие трещины

Полимерные покрытия показали также высокую химическую стойкость при выдерживании образцов в течение 48 часов в растворах едкого натра и серной кислоты (по ГОСТ 473).

Оценка стойкости к воздействию атмосферы кирпича с полимерными покрытиями в натурных условиях проводилась визуально (по появлению трещин и отслоений) во время экспонирования образцов на открытом воздухе в течение 4,5 лет (по потере массы за

время испытаний по отношению к первоначальному), а также при испытании в везерометре (15 суток при температуре 40-60 °С). Полимерные порошковые покрытия выдержали натурные и ускоренные испытания без внешних повреждений. На глазурованном кирпиче наблюдались единичные волосяные трещины. Результаты свидетельствуют о повышенной устойчивости порошковых полимерных покрытий, сопоставимой с аналогичными параметрами стандартной глазурованной керамики, что подтверждает их прогнозную долговечность не менее 25 лет.

Производственная апробация результатов исследований была осуществлена в цехе окраски кирпича ООО «СибЦвет-Технологии» (г. Новосибирск). Технология нанесения покрытий на армированный кирпич состояла из следующих операций: сортировка кирпича; укладка изделий в кассеты; подготовка поверхности изделий; предварительный нагрев изделий; нанесение покрытия; термообработка (отверждение) покрытия; охлаждение; упаковка и складирование (рис. За).

Результаты промышленного апробирования выполненного исследования дали положительный результат. Кирпич с порошковыми полимерными покрытиями был использован в элементах фасадов строительных объектов города Новосибирска (рис. 36).

Рис. 3. Технологическая линия по нанесению порошковых полимерных покрытий на фасадную керамику (а) и опыт применения окрашенного кирпича в строительстве (б)

Экономическая эффективность при производстве кирпича дисперсного армирования с декоративным порошковым покрытием, по сравнению с глазурованным кирпичом, составила 1,7 руб. на кирпич или 17 млн. руб. в год по предприятию средней мощности.

Основные выводы

1. Керамический кирпич из пылеватых суглинков Западной Сибири не обладает достаточными прочностными и декоративными свойствами. Актуальными задачами производства керамического кирпича на природном сырье Западной Сибири являются модифицирование состава шихты плавнями и структурирующими добавками, а также улучшение декоративных свойств лицевого кирпича путем нанесения порошковых полимерных покрытий.

2. Пылеватые суглинки с содержанием глинистых частиц менее 20 мае. % и пылеватых фракций около 70 мае. %, в том числе Клещихинского и Маслянинского месторождений, обладают недостаточной пластичностью и высоко чувствительны к сушке и обжигу. Низкое содержание оксидов железа (менее 5 мае. %) и глинистых частиц не обеспечивает необходимого спекания керамического кирпича при температурах обжига 950-1000 °С. Пылеватые суглинки обладают низкими структурно-механическими свойствами, плохо формуются и требуют корректирования добавками при использовании для строительной керамики или активации.

3. Дня улучшения спекания в пылеватые суглинки необходимо вводить добавки в виде плавней, например, стеклобой в количестве 3-6 мае. %. В качестве структурирующей добавки в пылеватый суглинок целесообразно вводить металлонаполнитель (металлические опилки). Добавка 2,5 мае. % металлонаполнителя дает возможность получать кирпич марок 150. При введении 5 мае. % металлонаполнителя прочность кирпича повышается до 20 МПа, морозостойкость - с 35 до 50 циклов.

4. Методом планирования эксперимента определен оптимальный состав шихты для производства керамического кирпича дисперсного армирования: лессовидный суглинок 76-86 мае. %, стальные опилки 2,5-15 масс. %, стеклобой 3-6 масс. %. Предложена технологическая схема производства кирпича по полусухому способу.

5. Комплексом инструментальных методов (сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ) установлено, что в процессе спекания кирпича происходит физико-химическое взаимодействие между металлонаполнителем, вводимым в пылеватые суглинки в качестве структурирующей добавки, и керамической матрицей. В результате взаимодействия образуются новые ферро- и алюмосиликатпые фазы, при введении металлона-

полнителя в 2-4 раза увеличивается эквивалентный модуль упругости композита, что обусловливает значительное повышение прочности кирпича при сжатии и изгибе.

6. В качестве полимерных покрытий по керамическому кирпичу рекомендованы порошковые композиции на основе эпоксидных и полифениленсульфидных полимеров. Для обеспечения долговечности покрытий до 25 лет и более оптимальным режимом являются: прогрев изделия 3 мин. при 300 °С, электростатическое нанесение покрытия при напряжении электрического поля - 90-100 кВ/м, термообработка при 200 °С в течение 5 минут. Разработан технологический регламент на технологию нанесения на кирпич порошковых покрытий.

7. Лицевой кирпич с порошковым полимерным покрытием превосходит глазурованный кирпич по стойкости и долговечности. При воздействии агрессивных и атмосферных факторов на глазурованном кирпиче появляется сетка мелких трещин, в то время как полимерные покрытия сохраняют цвет и сплошность.

8. Промышленная апробация технологии нанесения порошковых полимерных покрытий на металлоармированный кирпич и экономические расчеты подтвердили эффективность научно-технических решений. Дополнительная прибыль при производстве кирпича с декоративным порошковым покрытием, по сравнению с глазурованным кирпичом, составила 1,7 руб. на кирпич или 17 млн. руб. в год по предприятию средней мощности.

Основные публикации автора, отражающие содержание работы

Монографии

1. Машкин H.A. Дисперсно-армированный керамический кирпич из суглинков Западной Сибири с декоративным полимерным покрытием: монография / H.A. Машкин, Ю.А. Шаравнн, Т.Ф. Каткова. - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2011. -160 с. 10,0 пл./3,4 пл.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

2. Машкин H.A. Оптимизация технологии отделочных и изоляционных материалов / H.A. Машкин, Н.Е. Зибнидкая, Ю.А. Шаравнн // Строительные материалы. - 2006. -X» 11. - С. 12-13. 0,4 п.л./0Д4 пл.

3. Машкин Н.А Дисперсно-армированный керамический кирпич из пыле-ватых суглинков Сибири / H.A. Машкин, И.М. Себелев, Т.Ф. Каткова, Ю.А. Шаравин//Известия ВУЗов. Строительство,- 2011.- № 11.-е. 22-26. 0,4 пл./0,1 пл.

4. Себелев И.М. Обеспечение долговечности декоративных порошковых полимерных покрытий по фасадной керамике / И.М. Себелев, H.A. Маш-

кин, Ю.А. Шаравин // Известия ВУЗов. Строительство.- 2011.- № 12. - с. 56-61. 0,4 пл./0,1 пл.

5. Стенина Н.Г. Влияние металлонаполнителя на формирование черепка дисперсно-армированного керамического кирпича / Н.Г. Стенина, H.A. Машкин, П.М. Плетнев, Ю.Л. Шаравин // Известия ВУЗов. Строительство.- 2012.- № 1. _ с. 47-51. 0,4 п.л./0,1 пл.

Авторские свидетельства и патенты

6. Патент России на изобретение № 2307109. Шихта для изготовления армированных керамических изделий / H.A. Машкин, ЮА. Шаравин, Т.Ф. Каткова, Н.В. Рользинг, С.В. Рользинг: Опубл. 27.09.2007 г., Бюл. № 27 (приоритет от 11.07.2005 г.).

Статьи в центральных журналах

7. Машкин H.A. Архитектурно-строительная система «АБВ СтройТехноло-гии» строительства жилых и общественных зданий из высокоточных деталей пеноблоков / Н.А Машкин, B.C. Баев, В.И. Федченко, Н.Е. Зибницкая, Ю.Л. Шаравин // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. - 2007. - № 12. - С. 80-81. 0,4 пл./0,1 пл.

Статьи в сборниках научных трудов, материалов конференций

8. Шаравии ЮА. Армированный лицевой кирпич на основе пьглеватых суглинков / Ю.А Шаравин, Н.В. Рользинг, Т.Ф. Каткова // Труды НГАСУ, 2005. - т. 8,- № 2 (32),- С. 92-95. 0,3 п.лд./0,1 пл.

9. Шаравин ТО.А. Порошковые покрытия по искусственным каменным материалам / Ю.А. Шаравин, Д.В. Дубенчак, С.Ю. Воробьев // Труды ХШ Международного семинара Азиатско-тихоокеанской академии материалов «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века». - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2006. - Т.2. - С. 157-159. 0,4 пл./0,1 пл.

10. Машкин А.Н. Фасадный кирпич с порошковым полимерным покрытием / А.Н. Машкин, Ю.Л. Шаравин // Материалы Международной научно-практич. конфер. «Строительство-2007». - Ростов н/Д: Рост. гос. строит, унт, 2007. -с. 74-75. 0,2 пл./0,1 пл.

11. Mashkin N.A. New materials and technologies in construction of low-rise buildings from precision details foam concrete blocks / N.A Mashkin ,V.S. Baev, V.l. Fedchenko, N.E. Zibnitskaja,YA Sharavin // The Second international Forum on Strategic technology October 3-5, 2007 Ulanbaator, Mongolia, P.534-535. 0,4 п.л./0,1 пл.

12. Шаравин ЮА. Технология дисперсноармированного лицевого керамического кирпича с порошковым полимерным покрытием / Ю.А Шаравин // Молодежь и наука: начало XXI века: Сб. матер. Всероссийской науч-но-техн. конфер. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 7 ч. Ч. 5. МИОЦ ФГОУ ВПО «СФУ». - Красноярск, 2009. - С. 258-260. 0,2 пл.

13. Шаравин ЮА. Получение лицевого керамического кирпича из умеренно-пластичных суглинков Западной Сибири / Ю.А. Шаравин // Матер. Всероссийской конфер. «Современные проблемы производства и использования композиционных строительных материалов». - Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин): 2009. - с. 75-77. 0,2 пл.

61 12-5/3651

Новосибирский государственный архитектурно-строительный

университет «Сибстрин»

На правах рукописи

ШАРАВИН Юрий Алексеевич

ЛИЦЕВОЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КИРПИЧ ИЗ ПЫЛЕВАТЫХ СУГЛИНКОВ С ДЕКОРАТИВНЫМ ПОРОШКОВЫМ ПОЛИМЕРНЫМ ПОКРЫТИЕМ

05.23.05 - строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Машкин Н.А.

НОВОСИБИРСК 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 12

1.1. Керамические стеновые материалы 12 1. 1.1. Требования к глинистому сырью для стеновой керамики 15

1.1.2. Качество глинистого сырья Сибирского региона для стеновой 19 керамики

1.1.3. Пути повышение качества местного глинистого сырья для сте- 22 новой керамики

1.1.4. Перспективные технологии производства стеновой керамики 24

1.2. Декоративно-защитные порошковые полимерные покрытия 26

1.2.1. Виды полимерных порошковых покрытий для защиты 26 материалов

1.2.2. Способы нанесения порошковых покрытий 32

1.2.3. Механизм защитного действия полимерных порошковых 34 покрытий. Требования к защитным покрытиям

1.3. Постановка цели и задач исследований 40

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 42

2.1. Структурно-методологическая схема исследований 42

2.2. Выбор и характеристика материалов, используемых в исследо- 42 ваниях

2.2.1. Глинистое сырье для керамического кирпича 42

2.2.2. Порошковые полимерные покрытия 48

2.3. Методы исследования глинистого сырья 54

2.4. Методы исследований свойств стеновой керамики 60

2.5. Физико-химические методы исследования сырья и полимерных 63 покрытий

2.6. Математическая обработка результатов и оценка достоверности 65 экспериментальных данных

Выводы по 2 главе 66

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ 67

СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА ДИСПЕРСНОГО АРМИРОВАНИЯ

3.1. Исследование свойств керамического черепка - основы для 67 нанесения порошковых полимерных покрытий

3.1.1. Физико-химические процессы, протекающие при обжиге 67 глинистого сырья

3.1.2. Спекаемость суглинков 72

3.1.3. Определение удельной поверхности керамического черепка 74

3.1.4. Исследование пористости керамического суглинистого черепка 80

3.2. Разработка составов и исследование свойств керамического 86 кирпича дисперсного армирования

3.2.1. Подбор оптимального состава шихты для производства кера- 88 мического кирпича дисперсного армирования

3.2.2. Влияние металлонаполнителя на формирование черепка дис- 90 персно-армированного керамического кирпича

3.2.3. Определение расчетных эффективных модулей упругости ке- 94 рамического кирпича с металлонаполнителем

3.2.4. Свойства керамического кирпича дисперсного армирования 95

Выводы по 3 главе 96

ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 98 ДЕКОРАТИВНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ ПО КЕРАМИЧЕСКОМУ КИРПИЧУ

Составы и технология нанесения полимерных декоративно- 98 защитных покрытий на керамический кирпич

Физико-механические свойства кирпича с полимерными порош- 108 ковыми покрытиями

4 -2 • 1. Основные характеристики порошковых полимерных материалов 108

Оптимизация технологических параметров нанесения порошко- 111 вых полимерных покрытий на кирпич

дг) т.

Определение физико-механических свойств покрытий в системе 114 «кирпич-полимерное покрытие»

ИК-спектры полимерных порошковых покрытий 117

Эксплуатационная стойкость и долговечность полимерных 119 покрытий по керамическому кирпичу

^ Результаты производственных испытаний и натурных на- 123

блюдений за лицевым кирпичом с полимерным покрытием

Производственная проверка технологии нанесения порош- 123 ковых полимерных покрытий на фасадную керамику

Технико-экономическая эффективность использования ли- 126

цевого керамического кирпича дисперсного армирования с декоративным полимерным покрытием при отделке фасадов зданий

Выводы по 4 главе 128

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 132

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Выбор технологии производства керамического 145

кирпича дисперсного армирования ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Подбор оптимального состава шихты для произ- 152

водства дисперсно-армированного керамического кирпича ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Технологический регламент на технологию нане- 159

сения порошковых полимерных покрытий на керамический кирпич ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты производственной проверки 165

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время жилищное строительство характеризуется высокими темпами роста. Вместе с тем, отсутствие производства облицовочных материалов в Новосибирской области и значительное отставание качества стеновых материалов от потребностей строительства, а также необходимость улучшения внешнего вида строительных материалов и архитектурного облика зданий, делают актуальным вопрос получения из низкосортного глинистого местного сырья на действующих предприятиях разноцветного лицевого кирпича, являющегося одновременно и стеновым материалом.

Основная научно-техническая задача диссертационного исследования заключается в улучшении добавками местного низкосортного глинистого сырья для изготовления керамического кирпича высокого качества и отработки промышленной технологии нанесения на него полимерных декоративно-защитных покрытий. Покрытия должны улучшать декоративные свойства стеновой керамики, быть стойкими и долговечными в эксплуатационных условиях. Задача является приоритетной для Уральского и Сибирского регионов, не располагающих достаточными запасами легкоплавких пластичных глин, которые необходимы для производства лицевого кирпича разнообразной цветовой гаммы.

Использование полимерных композиций для создания декоративных покрытий по керамическому кирпичу обусловлено высокой стойкостью полимеров к температурно-влажностным эксплуатационным воздействиям, хорошей адгезией к минеральной основе, неограниченным количеством цветовых оттенков.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научных работ НГАСУ (Сибстрин) по направлению «Разработка новых строительных материалов и ресурсосберегающих технологий их производства» в 2005 - 2012 гг. и в координации с программами развития строительной индустрии Новосибирской области.

Объект исследования - тощие пылеватые суглинки Западной Сибири и керамические стеновые изделия дисперсного армирования на их основе с декоративным порошковым полимерным покрытием лицевых поверхностей.

Предмет исследования - влияние металлонаполнителя на структуру и свойства керамического кирпича дисперсного армирования, а также на стойкость и долговечность порошкового полимерного покрытия на лицевых поверхностях керамических изделий.

Цель диссертационной работы - разработка научных и технологических основ получения и управления структурой лицевого керамического кирпича из умеренно-пластичных суглинков Западной Сибири за счет дисперсного армирования и расширение цветовой гаммы изделий путем нанесения полимерных декоративно-защитных покрытий.

Для достижения цели были поставлены и решены задачи:

1. Исследовать вещественный состав и технологические свойства глинистого сырья (суглинки Западной Сибири).

2. Исследовать влияние добавок (бой тарного стекла, металлические опилки), улучшающих спекание суглинков, структуру и качество кирпича.

3. Оптимизировать составы и технологические параметры производства керамического кирпича дисперсного армирования.

4. Повысить физико-механические показатели керамического черепка для лицевого кирпича и расширить цветовую гамму изделий путем нанесения полимерных декоративно-защитных покрытий.

5. Оптимизировать технологию нанесения порошковых покрытий на керамический кирпич.

6. Исследовать эксплуатационные свойства керамического кирпича дисперсного армирования с порошковым полимерным покрытием.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем разработаны теоретические положения и технологические принципы получения керамического кирпича из тощих пылеватых суглинков с металло-

наполнителем и полимерным порошковым покрытием. При этом установлено следующее:

1. Для получения керамического кирпича из тощих пылеватых суглинков Новосибирской области целесообразно использовать дисперсное армирование шихты стальными опилками (длина волокна до 2,5 мм). Добавление 2,5 мае. % металлического наполнителя обеспечивает получение кирпича марки 150. При введении 5 мае. % металлонаполнителя прочность при сжатии кирпича повышается до 20,5 МПа (марка 200). Применение металлонаполнителя также способствует повышению адгезионного сцепления порошкового полимерного покрытия с поверхностью кирпича на 20-25 %, за счет более высокой адгезии полимерного покрытия к металлу, по сравнению с керамической матрицей.

2. В процессе спекания кирпича происходит физико-химическое взаимодействие между металлонаполнителем, вводимым в пылеватые суглинки в качестве структурирующей добавки, и керамической матрицей. В результате взаимодействия образуются новые ферро- и алюмосиликатные фазы, в 2-4 раза увеличивается эквивалентный модуль упругости композита, значительно повышается прочность кирпича при сжатии и изгибе.

3. Для обеспечения стойкости к воздействию атмосферы и долговечности порошковых полимерных покрытий, наносимых при получении лицевого кирпича, предпочтительно использовать эпоксидные и полифениленсуль-фидные полимеры. Для достижения прогнозной долговечности покрытий в 25 лет оптимальными режимами термообработки нанесенных покрытий является температура термообработки 200 °С, продолжительность термообработки 5 минут.

4. Оптимальные технологические параметры нанесения порошковых полимерных покрытий на дисперсно-армированный кирпич предусматривают: прогрев изделия 3 мин. при 300 °С, электростатическое нанесение покрытия при напряжении электрического поля - 90-100 кВ/м, закрепление покрытия в течение 5 минут при 200 °С. Прогнозная долговечность полимерного покры-

тия дисперсноармированного металлонаполнителем кирпича в 1,4-1,5 раза выше, чем стандартного кирпича.

Техническая новизна работы подтверждена патентом РФ на изобретение № 2307109.

Достоверность результатов и выводов по работе обеспечена изучением представительных проб исходных материалов, использованием аттестованного лабораторного оборудования, применением физико-химических методов исследований: дифференциально-термического и инфракрасно-спектроскопического анализов, сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа, математического планирования эксперимента, совпадением результатов лабораторных исследований и данных натурных испытаний.

Практическая значимость работы.

Разработан состав шихты для получения и лицевого керамического кирпича дисперсного армирования методом полусухого прессования из пылева-тых суглинков при температурах обжига 950 - 1000 °С, прочностью при сжатии до 30,3 МПа, морозостойкостью 50 циклов.

Разработан технологический регламент на технологию нанесения порошковых полимерных покрытий на керамический кирпич. Выполнены опытно-промышленные испытания производства керамического кирпича дисперсного армирования с порошковым полимерным покрытием.

На защиту выносятся:

- положение об эффективности действия дисперсных металлодобавок для керамического кирпича из глинистого сырья, с содержанием глинистой фракции менее 20 %;

- составы и технология получения лицевого керамического кирпича дисперсного армирования методом полусухого прессования из умеренно пластичных пылеватых суглинков с прочностью до 30,3 МПа, морозостойкостью 50 циклов;

- оптимальные параметры нанесения порошковых полимерных покрытий

на керамический кирпич дисперсного армирования и комплекс его физико-механических свойств;

- данные об эксплуатационной стойкости и долговечности кирпича с полимерным порошковым покрытием.

Реализация результатов работы. Разработанные составы апробированы на ЗАО фирма «Кирпичный завод» и ООО «Агат» Новосибирской области. Образцы кирпича с порошковым покрытием экспонировались на Международной Сибирской ярмарке и удостоены диплома «Стройсиб - 2011».

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены: на Всероссийских научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин), 20062012 гг.; на XIII Международном семинаре Азиатско-Тихоокеанской академии материалов АТАМ «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века», г. Новосибирск, 2006 г.; на Международной научно-практической конференции «Строительство-2007», г. Ростов на Дону, 2007 г.; на 2-ом Международном форуме стратегических технологий, г. Улан-Баатор, Монголия, 2007 г.; на Всероссийской конференции «Современные проблемы производства и использования композиционных строительных материалов» НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск, 2009 г.; на V Всероссийской научно-технической конференции «Молодежь и наука: начало 21 века», г. Красноярск, 2009 г.; на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин), 2010 г.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 12 работах, включая монографию и 4научные статьи в журналах из перечня ВАК. Получен патент России на изобретение № 2307109 от 27.09.2007 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 178 наименований, содержит 131 страницу основного текста, 28 рисунков, 52 таблицы и 4 приложения.

Автор выражает благодарность Заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору Бердову Г.И. и кандидату техни-

ческих наук, доценту кафедры строительных материалов и специальных технологий НГАСУ «Сибстрин» Катковой Т.Ф. за активное участие в обсуждении результатов исследований и полезные советы.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Керамические стеновые материалы

В настоящее время керамический кирпич является одним из основных строительных материалов в России. Наибольшая доля кирпича потребляется на строительство жилых домов, она составляет 67 % объема внутреннего кирпичного рынка, 20 % - на строительство зданий непромышленного назначения, на объекты социальной сферы - 8 %, незначительная доля керамического кирпича - 5 % - приходится на строительство зданий промышленного назначения.

Керамический кирпич в России производится как на специализированных предприятиях стройматериалов, так и на предприятиях металлургического, машиностроительного, химического комплексов, предприятиях добывающих отраслей промышленности. Большинство специализированных кирпичных заводов - это предприятия с производственной мощностью 40-70 млн. шт. условного кирпича в год, использующих местное сырье.

Лидером в России по производству керамического кирпича является Приволжский федеральный округ. Его доля в структуре производства по федеральным округам составляет порядка 30 %. Второе место по производству керамического кирпича занимает Центральный федеральный округ - 24 %. Доли Сибирского, Уральского и Южного федеральных округов составляют соответственно 16, 14 и 12 %. Дальневосточный и Северо-Западный округа в сумме занимают не более 4 % общего объема производства керамического кирпича.

Лицевой керамический кирпич - строительное изделие, которое выполняет одновременно конструктивные и декоративные функции. По виду фактуры (отделки) лицевой поверхности керамический кирпич выпускают: торкретированный лицевой крошкой, ангобированный, объемного окрашивания, двухслойный, глазурованный. Фактура может быть гладкой и рельефной.

Изделия этой группы выпускаются разных размеров, сплошные и пустотелые [6].

В настоящее время в Новосибирской области работает 14 заводов - производителей строительного кирпича, пять из них обеспечивают 80 % областного производства. В Черепановском районе области действует крупнейший в Сибири производитель кирпича - ОАО «Черепановский завод строительных материалов».

Керамический кирпич в Новосибирской области производится на местных заводах. Дефицит лицевого кирпича местного производства покрывается поставками из соседних регионов, основную часть из которых осуществляет Ленинск-Кузнецкий завод строительных материалов (Кемеровская область)

С появлением новых стеновых материалов общий выпуск кирпича существенно изменился. Но практика последних лет доказала, что на ряду с индустриализацией строительства именно кирпич должен решать жилищную проблему и улучшать архитектурный облик зданий.

Архитектурная выразительность современных зданий зависит от цветовой гаммы применяемых фасадных материалов. Сложность выбора тех или иных видов материалов для отделки фасадов в Сибири зависит от суровых климатических условий, а также от загрязнения воздушной среды, вызванной промышленными выбросами и увеличени�