автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Модифицирование структуры сырца и улучшение свойств керамических облицовочных изделий из каолинсодержащего сырья при введении ионогенных ПАВ

На правах рукописи

Турченко Алла Евгеньевна

МОДИФИЦИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СЫРЦА И УЛУЧШЕНИЕ СВОЙСТВ КЕРАМИЧЕСКИХ ОБЛИЦОВОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАОЛИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ПРИ ВВЕДЕНИИ ИОНОГЕННЫХ ПАВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2006

Работа выполнена в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Суслов Александр Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гончаров Юрий Иванович

кандидат технических наук, доцент Крылова Алла Васильевна

Ведущая организация: ГОУ ВПО "Пензенский государственный

университет архитектуры и строительства" г. Пенза

Зашита состоится "28" октября 2006 г. в 13— в 3220 ауд. на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, по адресу: 394006, Воронеж, ул, 20-летия Октября, 84

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Автореферат разослан "2Н " сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов В В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение требований к комфортабельности и архитектурной выразительности жилья определяет рост производства и качества отделочных материалов. К 2010 году выпуск отделочных материалов возрастет в два раза, в том числе керамических облицовочных плиток на 70 %. В связи с этим, совершенствование технологии отделочных керамических материалов с использованием современных научно-технических достижений приобретает актуальное значение.

В современных условиях большое практическое значение приобретают способы управления процессами формирования качественной структуры изделий, в первую очередь на стадиях массоподготовки и формования. Управление этими процессами осуществляется за счет регулирования химического, минералогического и гранулометрического составов формовочных смесей и ее влажностного состояния, введения химических добавок, применения механических, тепловых и электромагнитных воздействий. Применение химических добавок в технологии керамических изделий получило широкое применение, поскольку является наиболее простым и доступным способом регулирования свойств формовочной смеси и готовых изделий.

В связи с этим углубленное изучение формирования структуры и свойств сырца на этапах подготовки шихты и формования керамических изделий с использованием химических добавок является актуальным.

Цель работы - совершенствование технологии и улучшение свойств керамических облицовочных изделий на основе каолинсодержащего сырья модифицированием структуры сырца ионогенными поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Задачи исследований:

1) изучить механизм действия химических добавок в глинистых дисперсных системах;

2) обосновать выбор эффективного вида и массовой доли химических добавок для улучшения формовочных свойств шихт и обеспечения требуемого качества к е-

рамических изделий;

3) установить закономерности формирования структуры сырца керамических облицовочных изделий на стадиях массоподготовки и формования с учетом использования ионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ);

4) разработать предложения по применению ионогенных ПАВ, обеспечивающих стабильное качество готовой продукции при снижении энергетических затрат на ее получение.

Объект исследований - глинистые дисперсные системы, предназначенные для получения керамических облицовочных изделий модифицированные ионо-генными ПАВ.

Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области материаловедения, физической и коллоидной химии, инженерной геологии, технологии керамики, относящиеся к глинистым дисперсным материалам.

При проведении исследований использовались физико-химические методы оценки характеристик структуры: рентгенографический, калориметрический, электронно-микроскопический; методы активного планирования экспериментов, регрессионный метод анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Диссертационные исследования и разработки выполнены автором в 19952006 гг. на базе лабораторий кафедр строительного материаловедения и химии, Проблемной научно-исследовательской лаборатории Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, ЗАО ПКФ «Воронежский керамический завод» (ВКЗ) и кирпичного завода ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» (ВАСО) по темам госбюджетных НИР: «Исследование закономерностей структурного материаловедения и разработка экологически чистых, ресурсоэкономичных строительных материалов и технологий их производства, в том числе на основе техногенного сырья» единый заказ наряд Минобразования РФ (1996 — 2000 г.г.), «Разработка и развитие теории синтеза структур строительных композитов» тематический план Минобрнауки РФ (2001 — 2005 г.г.) и в рамках научно-технической программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме НИР: «Управление процессами формирования структуры многокомпонентных керамических материалов с использованием химических добавок» (2005 г.). Прикладные диссертационные исследования выполня-

лись в составе рада хоздоговорных работ с промышленными предприятиями.

Научная новизна работы:

- изучено влияние ионогенных ПАВ на процессы формирования структуры гли-носодержащих дисперсных материалов с учетом их минералогического состава;

- предложена модель формирования структуры каолиновой дисперсии при прессовании с использованием ионогенных поверхностно-активных добавок;

- подтверждено влияние ионогенных добавок ПАВ на адсорбционные свойства глин, процессы формирования микроструктуры сырца и научно-обосновано их применение при производстве керамической плитки полусухим способом прессования и облицовочного кирпича пластического формования с учетом минералогического состава шихты;

- показано, что применение ионогенных поверхностно-активных добавок в составах каолинсодержащих шихт позволяет улучшить их формовочные свойства и стабилизировать физико-механические показатели качества получаемых керамических материалов.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик, комплексных оценок состава, структуры и свойств керамических материалов; методов планирования экспериментов и вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов; использованием аттестованного лабораторного оборудования; использованием комплекса современных физико-химических методов анализа (химического, калориметрического, рентгенографического и электронно-микроскопического).

Практическое значение работы:

- разработаны шихтовые составы на основе каолино-гидрослюдистых глин с ионогенной добавкой для производства керамических облицовочных изделий, что подтверждено патентом № 2270819 РФ МПК С04В 33/00 "Керамическая шихта для изготовления строительных изделий".

- оптимизированы составы шихт на основе каолина с ионогенными поверхностно-активными добавками для производства керамического облицовочного кирпича и разработаны рекомендации по режиму скоростного обжига керамических изделий;

б

- применение ионогенных добавок ПАВ в составе каолинсодержащих шихт для производства керамических облицовочных изделий обеспечит повышение прочности изделий, улучшение качества поверхности, экономию энергозатрат на этапах формования и обжига изделий.

Внедрение результатов работы. По результатам работы разработаны предложения к технологическим регламентам на изготовление керамической плитки полусухого прессования и керамического кирпича пластического формования из полиминеральной шихты с ионогенной поверхностно-активной добавкой.

На основании технологических предложений выпущена опытно-промышленная партия облицовочного керамического кирпича объемом 100 ООО шт. в условиях кирпичного завода ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество», а также опытно-промышленная партия облицовочной плитки 50 ООО м2 в условиях ЗАО ПКФ «Воронежский керамический завод».

Результаты исследований используются в учебном процессе Воронежского государственного архитектурно-строительного университета при изучении студентами специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» дисциплин; «Химия силикатов и тугоплавких соединений», «Технология строительной керамики», «Технология изоляционных строительных материалов и изделий» и при выполнении УИРС по курсу «Основы научных исследований и технического творчества».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на конференциях международного, республиканского и других уровней: «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» (Белгород 1997 г.), «Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века» (Белгород 1998 г.), «Современные проблемы строительного материаловедения» (Пенза 1998 г.), на V- тых, VI- тых, УП-мых Академических Чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Воронеж 1999 г., Белгород 2000 г., Иваново 2001 г.), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза 2000 г.), «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула 2001 г., 2002 г., 2003 г., 2004 г.), «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород 2005 г.), на 52-60 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного архитектурно-

строительного университета (1996-2006 гг.).

На защиту выносятся:

- научное обоснование выбора вида ионогенных поверхностно-активных добавок и их массовой доли в зависимости от минералогического состава глинистых сырьевых материалов;

- модель формирования структуры сырца на основе каолинсодержащей шихты с ионогенными добавками ПАВ;

- результаты исследований влияния вида ионогенных добавок ПАВ на процессы формирования структуры сырца каолинсодержащих шихт и их связь с физико-механическими свойствами обожженных изделий;

- практические рекомендации по оптимизации каолинсодержащих шихтовых составов с ионогенными добавоками ПАВ для производства прессованной керамической плитки и керамического кирпича пластического формования.

Публикации. По теме диссертации получен патент № 2270819 «Керамическая шихта для изготовления строительных изделий» и опубликовано 20 печатных работ, в том числе одна в центральном издании.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих вьгеодов, 4 приложений и содержит 145 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 101 наименований.

Автор выражает благодарность канд. хим. наук, доценту Валерии Валентиновне Шаталовой за консультации по теоретическим вопросам и помощь в подготовке экспериментальной части диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулирована цель работы, теоретические и методологические основы исследований.

В первой главе представлен аналитический обзор факторов формирования структуры глинистых минералов с позиций генезиса горных пород. Установлено, что в ходе геологических процессов образования глинистых пород основными факторами являются химический состав горной породы и рН-среды дренажных

вод, определяемый содержанием в воде ионов Ыа+, К+, Са2+, .

Показано, что процессы структурообразовання глинистых минералов в условиях нейтральной среды стабилизируются при формировании каолинов. При этом каолиновая дисперсная система обладает наименьшей свободной энергией по сравнению с другими (монтмориллонитами, гидрослюдами, иллитами). Поэтому изучение процессов формирования структуры сырца и формовочной массы при введении химических добавок целесообразно проводить на каолиновой дисперсии.

На основании анализа факторов генезиса глинистых минералов показан путь управления процессом формирования структуры формовочных шихт при использовании химических добавок в технологии строительной керамики.

Созданию энергосберегающей технологии строительной керамики с использованием химических добавок посвящены труды В.Е. Баера, М.И. Хигеровича, И.И. Мороза, М.Г. Лундиной, В.И. Калашникова, Ш.М. Рахимбаева и др. Анализ этих работ показывает, что остается нерешенным ряд принципиальных вопросов, касающихся роли ионогенных ПАВ при формировании структуры глинистых материалов в зависимости от их минералогического состава.

Все указанное предопределяет необходимость в обосновании принципов управления процессами формирования структуры глиносодержащих дисперсных материалов за счет применения ионогенных ПАВ с учетом минералогического состава сырьевых компонентов.

Опираясь на фундаментальные исследования ПА. Ребиндера, Б.В. Дерягина, С.П. Ничипоренко, Ф.Д. Овчаренко, посвященные изучению адсорбционных процессов, происходящих в дисперсно-зернистых системах, определены факторы формирования структуры глинистых материалов.

На основании работ Г.И. КнигиноЙ, В.Ф. Завадского, Н.Г. Чумаченко, Г.И, Сторожен ко сделан вывод о возможности изменения структурных характеристик глинистых дисперсий при введении поверхностно-активных добавок в зависимости от минералогического состава глин. При этом, определяющее значение приобретают адсорбционные процессы взаимодействия глинистых минералов с водой. Они обусловлены слоистой структурой глинистых минералов (поверхностной и внутрислоевой абсорбцией воды), электростатической заряженностью

глинистых частиц, одновременным существованием гидрофильной и гидрофобной поверхностями частиц.

При формовании сырца керамических изделий полусухим способом производства (формовочная влажность 6...8 %) определяющим фактором в процессе структурообразования является переход адсорбированной (пленочной) воды в капиллярную. Изменить соотношение пленочной и капиллярной воды в глинистой дисперсной системе возможно введением ионогенных добавок, а увеличить пластичность возможно введением поверхностно-активных веществ (ПАВ). В результате введения предлагаемых добавок образуются более тонкие пленки воды на поверхности твердой фазы, часть воды перейдет в капилляры и это приведет к стяжению дисперсной системы. Формовочные свойства сырца улучшатся, что положительно отразится на качестве готового изделия.

В основу диссертации положена гипотеза о возможности получения керамических изделий со стабильными физико-механическими свойствами за счет изменения поверхностной энергии глинистых дисперсных материалов под действием ионогенных ПАВ на стадиях перемешивания шихты и формования сырца.

Представленный анализ эффектов влияния химических добавок показал, что на этапах массоподготовки и формования изделий имеются существенные технологические резервы, позволяющие обоснованно обеспечить повышение качества выпускаемой продукции. При этом значительный практический интерес представляет применение ионогенных ПАВ.

На основании физико-химических свойств исследуемых коллоидных систем рекомендуются следующие виды добавок ПАВ и их массовые доли.

1) добавки ПАВ, обладающие значительным дипольным моментом и имеющие в качестве гидрофобного радикала алифатические и ароматические углеводороды, понижающие поверхностное натяжение жидкой фазы, и способствующие повышению пластичности формовочной шихты. К ним относятся ПАВ, включающие следующие гидрофильные группы: -СООН, -ОН, -М12, -БН, -СНО, -803Н;

2) слабокислые ПАВ, образующие хемосорбционные слои на зернах глинистых минералов;

3) добавки гидрофобизирующие твердую составляющую формовочной шихты (кремнийорганические вещества).

Необходимыми условиями выбора вида и массовой доли ионогенных добавок являются:

1) массовая доля добавок ПАВ в растворе должна обеспечивать максимальное снижение поверхностного натяжения воды, но не превышать его критическую концентрацию мицелообразования (ККМ).

2) ионогенные добавки с наибольшей активность катионов;

3) полное связывание обменных катионов Са2* и глин анионной частью добавок.

Из рассмотренных видов добавок выбраны следующие ионогенные добавки

ПАВ: продукт конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом (С-3), триэтаноламиновая соль алкилсульфата (Пеностром), метилсиликонат натрия (ГКЖ-11). Для сравнения добавок в исследованиях использовалась неионогенная добавка ПАВ - оксиэтилированный фенол (ОП-8).

Частицы каолина при адсорбции воды приобретают отрицательный заряд, образуя сольватно-пленочный слой на своей поверхности. Соединяясь с ионами водорода воды, глинистые частицы нейтрализуют свой электрический заряд и укрупняются, образуя отдельные агрегаты. Глинистая коллоидная частица с сольвагаой оболочкой воды и адсорбированными катионами образует "сорбированный комплекс" и, с точки зрения коллоидной химии, ее можно рассматривать как слабую недиссоциированную кислоту:

{[тА12512Н,09]пН5Ю3- тН20 • пН+>°

При добавлении растворов анионактивных ПАВ в каолиновые дисперсии происходит ионный обмен между "сорбированным комплексом" глин и катионом добавок. Анионакгивные добавки диссоциируют в водной среде с образованием сложных органических анионов типа: Я - ОЭОэ ~ и катиона Ыа+. В результате обменной реакции между водородом входящим в сорбированный комплекс каолина и катионом добавки образуется соль. Вытесненный ион водорода связывается органическим анионом в слабодисоциирующую органическую кислоту типа Я — ОБО} Нив дальнейшем не оказывает коагулирующего действия на систему. При этом и глинистая частица восстанавливает отрицательный заряд, частицы отталкиваются друг от друга по типу:

{[тА128ЬН409]пН5Юз- • тН20 (п - х)Ш+}х~ х Иа+

Что приводит к диспергации каолинсодержащей дисперсии.

При увеличении массовой доли ионогенной добавки (т.е. при повышении концентрации ионов натрия) происходит коагулирование (слипание) глинистых частиц. Это объясняется тем* что увеличение концентрации ионов натрия в растворе способствует переходу натрия из диффузного слоя в структуру глинистой частицы. Электрический заряд глинистой частицы уменьшается, что способствует образованию микроагрегатов типа:

Таким образом, на процесс формирования микроструктуры сырца каолиновых глин с химическими добавками определяющее влияние оказывают вид и количество диссоциирущих в воде ионов.

На основании структурных особенностей каолинита (гексагонального строения отдельных пластин, положительному заряду на ребрах и отрицательному на плоскости) и анализа механизма действия ионогенных ПАВ в процессе формирования структуры сырца предлагается физическая модель преобразования микроструктуры каолиновой дисперсии при прессовании.

Дисперсная система каолина Прессованная дисперсная

{[шАЬБЬ Н409]пН5Юэ- • шН20 - пЫа }

система каолина

а) без добавок

б) с ионогенной гидрофнлизирующей добавкой ПАВ

в) с ионогенной гидрофобизирующей добавкой

Рисунок 1 - Физическая модель формирования структуры сырца на основе каолиновой дисперсии с ионогенными ПАВ при прессовании.

На основании предлагаемой модели предложена блок схема исследований, включающая следующие этапы решения задачи оптимизации выбора и применения химических добавок в технологии керамических строительных материалов:

- определение структурообразующей роли добавок в глинистых дисперсиях, с учетом их минералогического состава;

исследование влияния ионогенных ПАВ на формовочные свойства сырца;

- оптимизация шихтового состава, формовочной влажности и температуры обжига при производстве прессованных керамических изделий на поточно-конвейерных линиях (ПКЛ);

- технологические предложения по использованию химических добавок в технологии производства керамического кирпича пластического формования и плитки полусухого прессования.

Во второй главе представлены характеристики используемых материалов и методики экспериментальных исследований. В качестве объектов исследований использовались глины: каолин глуховецкого месторождения, монтмориллонит воробьевского месторождения, каолинито-монтмориллонитовая глина латненско-го месторождения и полиминеральный пресс-порошок Воронежского керамического завода (ВКЗ), используемый для производства облицовочной плитки (таблица 1).

Таблица 1 - Общая характеристика испытуемых глин

Свойства глинистого сырья

Гранулометрический состав,% Минералогический состав

Вид ГЛ11НИСТОГО материала Глинистая фракция (менее 0,005 мм) Пыле-ватая фракция (0,005... 0,05 мм) Песчаная фракция (более 0,05 мм) каолинит монтморри-лонит гидрослюда £ я Л К кварц гидроксид Число пластичности Температура спекания, 'С

Каолин глуховецкий 9 85 б 85 3 8 1,5 2 - 24 1380

Бентонит во-робьевский 31,78 45,49 22,73 5,2 80 5 1,8 6 2 27 1460

Каолннито-мотнморрило-нитовая глина 49,94 36,76 13,30 68 5 3,1 0,9 21 1 25 1280

Пресс-порошок ВКЗ 38,59 41,41 20 58 2 10 5,7 25 15 1100

Химические добавки принятые для исследований соответствовали нормативным требованиям.

- В исследованиях применялись научно обоснованные методики, позволяющие определить влияние видов добавок на адсорбционные и формовочные свойства шихт, разработанные в ВГАСУ, а также стандартные методики определения физических и механических свойств сырья и морозостойкости керамических материалов.

Работа выполнялась с использованием аттестованного лабораторного оборудования и комплекса современных физико-химических методов анализа (химического, калориметрического, рентгенографического и электронно-микроскопического).

Для оптимизации составов шихты и параметров обжига были применены современные методы планирования экспериментов и вероятностно-статистические методов обработки полученных результатов.

В третьей главе приведено исследование влияния добавок на гидрофильные свойства модельных дисперсий глин определенных месторождений и полиминерального пресс-порошка ВКЗ.

Введение добавок ПАВ в воду для за-творения приводит к снижению величины ее поверхностного натяжения и способствует переходу части воды, адсорбированной на поверхности глинистых минералов, в капиллярную. Это увеличивает эффективную поверхность твердой фазы, покрытую адсорбционной водой (рис. 2).

Как следует из полученных данных, количество связанной воды зависит от массовой доли поверхностно-активных добавок, и достигает максимального значения (рис. 2) в пределах критической концентрации мицелообразования (ККМ) добавок: ОД % для Пенострома и 0,2 % для

10

вП9 «

« а

17

5

и

%6

<ч 3"

я с

55

М

—й—I —й-1 —О—п

» * > « 1 1-4'-"

1—^ 1—&—4

—с— —"— р—«—<

80 70 60 50 40 30 20

<и X

я

%

ОС

<о „

2« * ?

Я ^ № X а.

К

ё

0 02 0,4 0,6 1

Содержание ПАВ по массе, %

1 -о—ГЫэстром-й—С-3 —О—ОП-8

2 ГЬкхпром-А-С-З -«-ОП-8

Рисунок 2 - Зависимость количества связанной воды (1) в дисперсии пресс-порошка и поверхностного натяжения воды (2) от содержания добавок ПАВ

С-3 и ОП-3. При повышении массовой доли поверхостно-активных добавок более 0,3 % для «Пенострома» и 0,4 % для ОП-8 и С-3 количество связанной воды становится независимым от массовой доли добавок. Таким образом, оптимальной, относительно количества связываемой воды, следует считать массовую долю добавок ПАВ соответствующую значениям их ККМ.

На основании полученных результатов были выполнены исследования влияния вида и массовой доли ионогенных добавок ПАВ на изменение адсорбционных свойств глинистых дисперсий из модельных глин и пресс-порошка, с использованием микро калориметрического метода. Результаты представлены на рисунке 3. -

Бентонит воробьвскмн

0.03 0,1 0,1! 0,1 0.23 0,3 0,35 0.4 Мвссодея доля до6*»им.% -ОП-8-*-С-3 Пенмтроы -О-ПНК-П

400

5 350 х

5 зоо

5 3 200 с е-| 8 ио

-е- е -е 100 о

50

Латненская глина (каолн н о-м о н тм о р и л ло н нтовая)

1

V 1 —

4л

0 0.05 0.1 0,15 о; 0.25 0.3 0.35 0.4 Массовая доля добавки,%

• ОП-8 С-3 —Пеностром -а- ГКЖ-П

Каолин глуховецкнй

Пресс-порошок

0 0,03 0,1 0,1! 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Массовая доля добаакн,% -ОП-1 —С-3 -»-Пеностром -О-ГКЖ-М

0 0,05 0,1 0Д5 0Л 0,25 0,3 0,35 0,4

Массовая дол* добавки,*/» -ОП-8 -А-С-3 —♦—Пеностром -О-ГКЖ-11

Рисунок 3 - Изменение эффективной удельной поверхности глинистых дисперсий в зависимости от вида и массовой доли добавок (Эффективная удельная поверхность - поверхность твердой фазы покрытая монослоем адсорбированной воды).

Установлено, что определяющее значение на величину эффективной удельной поверхности (поверхность твердой фазы, покрытая монослоем адсорбированной воды) имеет минералогический состав исходного сырьевого компонента и вид вводимой добавки ПАВ. Максимальные значения эффективной удельной поверхности твердой фазы достигаются при массовой доле добавок ПАВ близкой к ККМ.

В связи с тем, что большая часть глинистой составляющей в шихте представлена каолинами, а каолинит наиболее стабильный глинистый минерал, то изменение контактов на уровне микроструктуры минерала целесообразно рассмотреть на микрофотографиях каолина глуховецкого месторождения.

На рисуноке 4 - а показано, что частицы каолинита имеют размер более I мкм, некоторые из них объединены в ультра микроагрегаты размером 2...3 мкм. Данную микроструктуру можно характеризовать как неравномерно-агрегированную. Это приводит при формовании сырца к неравномерности прессовки, снижению средней плотности и прочности изделий.

Введение в каолиновую дисперсию ионо-генного ПАВ приводит к разрушению ультра-микроагрегатов и к диспергированию частиц до размеров менее 1 мкм. В результате образуется диспергированная микроструктура (рису-

В)

а) без добавок;

б) с ионогенной поверхностно-активной добавкой;

в) с ионогенной кремний органической добавкой

Рисунок 4 - Микрофотографии каолина глуховецкого месторождения Метка 1 цк (увеличение 7500)

нок 4-6), что способствует увеличению пластичности формовочной массы, повышению плотности и качества поверхности сырца и обожженных изделий, повышению прочностных показателей.

Введение ионогенной кремнийорганической добавки способствует образованию ультрамикроагрегатов с размерами 1.. .2 мкм, микроагрегатов с размером 3.. .4 мкм (рисунок 4 - в). Образуется коагулированная микроструктура, что способствует повышению средней плотности сырца и активизации процесса спекания во время обжига, а это обеспечит повышение не только прочностных характеристик, и морозостойкости изделий.

В четвертой главе приведены физико-механические исследования модельных систем „глина - плавни4* с ионогенными ПАВ.

На основании выполненного анализа влияния добавок на изменение микроструктуры и формовочные свойства глинистых дисперсий проанализированы изменения прочностных показателей обожженных изделий (таблица 3).

Таблица 3 — Адсорбционные свойства шихты и физико-механические свойства сырца и обожженных образцов

Вид добавки Массовая доля добавки % Эффективная удельная поверхность З-Ю'3, м2/г Средняя плотность сырца, кг/м5 Предел прочности при изгибе, МПа Коэффициент вариации Я юг после обжига, %

сырца обожженных изделий

без добавок 0 172,2 2051/2113 0,42/0,61 14,5 /16,5 9,8/5

ОП-8 од 243,9 2072 / 2126 0,64/0,82 15,2 /16,9 6,7/5

ОП-8 0,4 196,6 2085/2130 0,58/0,72 16,1 / 17,2 5,7/5

Пеностром 0,1 295,3 2090 / 2156 0,50 / 0,70 15,9/17,8 5,3/3,7

Пеностром оа 196,9 2128/2185 0,60/0,68 16,5/18,2 3,6/2,8

Пеностром 0,4 196,9 2112/2180 0,31 / 0,38 16,3/18,1 4,0/3,6

С-3 0,2 272,4 2079/2127 0,47/0,82 16,1 / 17,2 5,5/2,8

с-з 0,4 255 2115/2166 0,55/0,81 16,8/18,1 3,0/2,5

гкж-н од 209,1 2079 / 2150 0,56/0,57 17,2 /17,5 3,3/4,7

ГКЖ-11 0,2 98,4 2095 / 2194 0,43/0,54 18,2/ 17,9 3,5/4,1

гкж-и 0,3 98,4 2088/2160 0,42/0,50 17,3/17,1 2,3 / 2,6

Примечание: Давление прессования составляло 20 МПа. Обжиг производился в лабораторной электропечи с выдержкой 20 минут при максимальной температуре обжига 1000 "С. В числителе - формовочная влажность 6 %, в знаменателе - 8 %,

На основании проведенных исследований установлено, что применение ио-ногенных ПАВ обеспечивает повышение плотности на 50 кг/м3 и прочности сырца на 30 %, и, как следствие, повышение и стабилизацию прочностных свойств обожженных керамических изделий. Использование поверхностно-активных добавок наиболее эффективно при массовой долей соответствующей их ККМ.

Существенное влияние на свойства обожженных образцов оказывает не только вид химической добавки, но и влажность формовочной шихты. При небольшом изменении формовочной влажности шихты практически невозможно получить стабильные физико-механические показатели готовых изделий. Это отрицательно влияет на их качество, однако введение ионогенной кремнийоргани-ческой добавки обеспечивает получение высоких, стабильных прочностных характеристик независимо от варьирования формовочной влажности шихты в интервале от б до 8 %. Это является немаловажным фактом в условиях производственного процесса, когда не всегда обеспечивается постоянная влажность шихты.

Всвязи с изменением структурных характеристик сырца, было изучено влияние химических добавок на интенсификацию процесса спекания в модельной полиминеральной системе - каолиновая глина - щелочесодержащий и щелочноземельный плавни (каолин глуховецкого месторождения - молотый стеклобой, мел).

Для исследования совместного влияния различных факторов, действующих на процессы формирования структуры керамических шихт с использованием плавней, применяющихся при скоростных режимах обжига изделий, применены математические методы планирования эксперимента и оптимизации решений (таблицы 4,5).

Таблица 4 — Уровни варьирования рецептурных факторов

Условия планирования Зна У чения на ровнях

-1 0 +1

Массовая доля щелочесодержащего плавня- стеклобоя (ЯгО), % 10 15 20

Массовая доля щелочноземельного плавня - мела (ЯО), % 2 4 б

В качестве основных факторов, определяющих свойства керамических материалов, приняты массовая доля щелочесодержащего (ЯгО) и щелочноземельного

(1Ш) компонентов; вид и массовая доля химической добавки; температура обжига изделий.

Таблица 5 - Уравнения регрессии зависимости прочности при изгибе керамических изделий от вида химических добавок и температуры обжига модельной системе - глина - плавни

Температура обжига, °С Без добавки Вид химической добавки, (массовая доля), %

«Пеностром» (0,2% ) Метилсиликонат натрия (0,1%)

950 Ян*г = 7,84 + 71^0+0,261^0 2 +0.15ЯО+ 0,И КО 2 - 0,01 я2о ЯО КН5Г= 8,34 + +0,16Я20+0,68Я202 + 0,1 то+ ОДЗЯО2 - 0,08 ЯгО ЯО Ктг= 13,71 --0,36Я20+ 2,43Я202 + 0,02я0- 0,17 ЯО2 - 0,13Я2ОКО

1000 Ян1г= 12,86 + +0,42Я20+0,52Я202 - 0,7 ЯО+ 0.27К01 + 0,68 Я20 КО Кнзг - 16,87 + +0,58Я20 -О.ИЯгО1 - 0,12110 - 0,25 ЯО2 + 0,3 я2о КО Яшг= 14,92- 0,58Я20-0,44Я202 -0,121*0+0,54 ЯО2 - 1,23ЯгОЯО

1050 К.,щ.= 14,61 + +0,4Ж20-0>58К202 - 0,02Я(>+ 0,03я02 + 0,04 Я20 ЯО Я1ЦГ= 13,72 + +0,401*20 - 0,931*20 2 -0,48ЯО + 0,17Я02 + 0,75 Я20 ЯО Ятг-17,76-- 1,03я20- 0,59Я20 -0,01я0-0,041102 + 0,01Я20 ЯО

На основании полученных результатов (табл. 5) установлено, что модельные смеси без добавок обеспечивают требуемую прочность изделий при температуре обжига 1050°С.

Введение ионогенной ПАВ в состав шихты, позволяет обеспечить требуемую прочность изделий при температуре обжига 1000 °С, что связано с увеличением контакта поверхности частиц формовочной смеси, и способствует повышению физико-механических свойств готовых керамических изделий.

Полученные данные позволили оптимизировать режим обжига изделий (достичь заданной прочности керамических изделий при снижении максимальной температуры их обжига).

В пятой главе приведена практическая реализация результатов исследований по следующим направлениям:

1) оптимизации состава пресс-порошка ВКЗ, для производства керамической облицовочной плитки при введении ионогенного ПАВ;

2) разработка шихтовых составов с ионогеной добавкой ПАВ для производства керамического лицевого кирпича на основе каолино-гидрослюдистых глин;

3) выпуск опытной-промышленной партии керамического кирпича в заводских условиях;

4) использование научных результатов в учебном процессе. Применительно к производственным условиям изучено влияние рецептурно-

технологических факторов (концентрации ионогенной добавки метилсиликоната натрия, величины формовочной влажности и максимальной температуры обжига) на физико-механические свойства керамических плиток, полученных из полиминеральной шихты Воронежского керамического завода. Условия планирования эксперимента представлены в таблице 6.

Таблица 6 — Уровни варьирования рецептурно-технологических факторов

Условия планирования эксперимента Значения на уровнях

-1 0 + 1

Массовая доля метилсиликонагга натрия (Д), % 0,1 0,2 0,3

Формовочная влажность (В), % 6 8 10

Температура обжига (Т), "С 950 1000 1050

Взаимосвязь воздушной усадки (Ь), предела прочности при изгибе (Яизг) с

рецептурно-технологическими факторами выражается следующими уравнениями

регрессии:

У(Яизг) = 12,64 + 0,97Д-1,5 8 Д2 +

+ 0,96В-0,73В2 + (1)

+ 0,34Т-0,26т2 -- 1,31ДВ + 1,88ДТ+0,58ВТ

У(Ь) = 0,45 - 0 ,28Д + 0,67 Д2 -

- 0,40В + 0,94 В2 - (2)

- 0,08Т + 1,18 Т2 +

+ 0,27ДВ + 0,18ДТ + 0,19ВТ

С использованием моделей (1, 2) решены оптимизационные задачи поиска значений выходных переменных массовой доли ионогенного ПАВ, формовочной влажности шихты, максимальной температуры обжига.

По результатам исследований установлены следующие оптимальные значения рецептурно-технологических параметров для достижения максимальной прочности при изгибе и снижения усадочных деформаций керамических плиток:

- формовочная влажность- 6...8 %;

- массовая доля добавки мепгилсиликоната натрия - ОД.-.0,2 %;

- максимальная температура обжига - I ООО... 1050

Выполненные разработки шихтовых составов с ионогеным ПАВ для производства керамического лицевого кирпича на основе каолино-гидрослюдистых глин обеспечили следующие физико-механические свойства: предел прочности при сжатии - 30 МПа> водопоглощение - 4 %, морозостойкость —90.., 100 циклов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложенная концепция формирования структуры сырца с ионогенными ПАВ, учитывает влияние вида и массовой доли добавок в зависимости от минералогического состава шихты, и позволяет повысить качество керамических изделий.

2. Установлено изменение адсорбционной способности глин различного минералогического состава от вида и массовой доли применяемых ионогенных ПАВ.

3. Доказано, что количество адсорбционно-связанной влаги в полиминеральной шихте увеличивается при использовании в качестве адсорбтивов растворов ионогенных добавок ПАВ, что способствует улучшению формовочных свойств пресс-порошка. Плотность сырца при прессовании возрастает с 2050 до 2095 кг/м\

4. Экспериментально подтверждено, что введение ионогенных ПАВ в многокомпонентную каолинсодержащую шихту позволяет повысить прочность обожженных изделий на 30 %, при этом коэффициент вариации уменьшиться в 3 раза. На основании результатов электронной микроскопии показано, что повышение прочности сырца и обожженных изделий обеспечивается в процессе формования за счет увеличения числа контактов между частицами твердой фазы.

5. Установлено, что введение добавки метнлсиликоната натрия обеспечивает повышение и стабильность прочностных показателей обожженных изделий, независимо от изменения влажности формовочной шихты в условиях полусухого прессования (6...8 %).

6, Полученные полиномиальные модели, методом активного планирования эксперимента, позволили оптимизировать прочностные характеристики керамических облицовочных изделий и снизить усадочные деформации.

7. Разработанные шихтовые составы на основе каолинсодержащих глин с использованием добавки метилсиликоната натрия, позволили получать керамический лицевой кирпич марки не менее 200 с морозостойкостью 90... 100 циклов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Шмитько Е.И, Суслов A.A., Перцев A.B., Турченко А.Е. Проблемы управления процессами раннего структурообразования в керамических дисперсных материалах // Проблемы строительного материаловедения и новые технологии: сб. докл. Междунар. конф. "Промышленность строительных материалов и стройин-дустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений". — Белгород: Изд. БелгГТАСМ, 1997. -Ч5-С. 234-236.(лично автором выполнено 1 с.)

2. Шмитько Е.И., Суслов A.A., Перцев A.B., Турченко А.Е. Влияние межфазных взаимодействий на процессы раннего структурообразования в глиняно-водных дисперсиях. // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы Четвертых академических чтений РААСН - Пенза: Изд. ПГАСА, 1998. —41- С. 182-183. (лично автором выполнено 1 с.)

3. Турченко А.Е., Перцев A.B., Важинский А.Т, Управление структурой керамического кирпича за счет фактора влажности // Проблемы технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века: Сб. докл. Междунар. Конф.-шк.-сем. Мол. учен, и асп. - Белгород: БелГТАСМ, 1998. - 4.2. - С. 468-469.

4. Суслов A.A., Турченко А.Е., Шаталова В.В. Влияние фактора влажности и добавок ПАВ на прессуемость глинистых формовочных масс //Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы пятых академических чтений. РААСН/ Воронеж: Воронеж, гос. арх. - строит, акад., 1999.- С. 458-461. (лично автором выполнено 2 с.)

5. Турченко А.Е. Изучение рецептурно - технологических особенностей изготовления керамических плиток из местных видов сырьевых материалов/ Материалы 52-й научно-технических конференций. Краткое содержание докладов аспирантов и соискателей по проблемам архитектурных и строительных наук.- Воронеж, 2000. - С. 83-85.

6. Суслов A.A., Шмитько Е.И., Турченко А.Е. Влияние химических добавок на процессы формирования структуры и свойств керамических материалов // Композитные строительные материалы. Теория и практика: Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции. Ч. НУ- Пенза: Пенз Г АСА, 2000. - С. 104-108. (лично автором выполнено 2 с.)

7. Суслов A.A., Шмитько Е.И., Турченко А.Е.Влияние химических добавок на процессы прессформования и свойства керамических изделий / Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы шестых акад. чтений. РААСН / Ивашов, гос. арх. - строит, акад. - Иваново, 2000.- С. 515-519. (лично ав-

тором выполнено 2 с.)

8. Суслов A.A., Шаталова В .В., Турченко А.Е. Термодинамическая оценка влияния влажностного фактора на формирование структуры керамических дисперсных масс //ВИНИТИ №2127-В2001 от 09.10.01. (лично автором выполнено lc.) : -

9. Суслов A.A., Турченко А.Е. Способы повышения качества прессованных1 керамических материалов // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии. Сб. материалов Международной науч.-техн. конф,— Тула, Тул.ГУ, 2001. - С. 97-98. (лично автором выполнено 1 с.)

10. Шмитько Е.И., Суслов А. А, Шаталова В .В., турченко А.Е. Управление процессами формирования структуры керамических материалов за счет добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ)// Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы седьмых акад. чтений. РААСН / Белгород, гос. арх, - строит, акад. - Белгород, 2001.- С. 528-531. (лично автором выполнено 1 с.)

11. Турченко А.Е. Влияние способа введения пластифицирующих добавок на структурообразование керамических материалов // Материалы 55-56 -й научно-технических конференций. Краткое содержание докладов аспирайтов и соискателей по проблемам строительных наук и архитектуры Воронеж, 2001. - С. 83-84.

12. Суслов A.A., Турченко АЛ. Влияние кремний органических добавок на процессы формирования структуры керамических материалов // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии. Сб. материалов III Межа^нар. науч.-техн. конф,- Тула, Тул.ГУ.-2002. - С. 65-66. (лично автором выполнено 1 с.)""

13. Турченко А.Е., Суслов А А Особенности формирования структуры керамических материалов с кремнийорганическими добавками //Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии.- Сб. материалов 4-й Междунар. науч.-техн. кон-фер.- Тула, ТулРУ.-2003. - С. 80-81. (лично автором выполнено 1 с.)

14. Суслов A.A., Шмитько Е.И., Турченко А.Е.Управление процессами раннего формирования структуры керамических материалов //М.: НТС «Сгройинформ», Строитель.- 2003. №2. - С. 74-80. (лично автором выполнено 1 с.)

15. Турченко А.Е. Влияние минералогического состава и химических добавок на процессы формирования структуры керамических материалов //Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии.- Сб. материалов 5-й Междунар. науч.-техн. конфер,- Тула, Тул.ГУ.-2004. - С. 80-81.

16. Суслов A.A., Турченко А.Е., Шаров A.C. Исследование свойств глинистого сырья юга воронежской области //Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии.- Сб. материалов 5-Й Междунар. науч.-техн. конфер.— Тула, Тул.ГУ.-2004. - С. 82-83 (лично автором выполнено 0,3 с.)

17. Турченко А.Е Создание конкурентоспособных технологий производства керамических материалов за счет управления процессом их структурообразова-ния.//Сб. материалов 1 Науч.-практ.педагог. конф. "Качество подготовки специалистов строительного комплекса" — Липецк, 2004. - С. 49-50.

18. Турченко А.Е., Суслов A.A. Особенности формирования структуры керамических материалов из многокомпонентных шихт с применением химических добавок // Высокие технологии в экологии: Сб. тр. 8-ой междунар. конф. / ВГАСУ. — Воронеж, 2005. - С. 140-142. (лично автором выполнено 2 с.)

19. Турченко А.Е., Суслов A.A. Формирование структуры керамических материалов из многокомпонентных шихт с использованием гидрофобизирующих и

гидрофилизирующих добавок // Научно-теоретический журнал «Вестник БГТУ им. В .Г. Шухова» №10.2005: мат-лы междунар. науч.- практ. конф. "Современные технологии в промышленности строительных материалов и строй индустрии",— Белгород: Изд. Бег ГТАСМ, 2005. — С. 299-302.(лично автором выполнено 2 с.)

20. Пат. 2270819 Россия, МКИ С04 В 33/00. Керамическая шихта для изготовления строительных изделий // Суслов A.A., Турченко А.Е., Шаров A.C.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ВГАСУ.-№ 2270819; заявл. 05.07.2004; опубл. 27.02.2006, Бюл. №6, —5 с. (лично автором выполнено 2,5 с.)

21. Суслов A.A., А.Е. Турченко, Шаталова В .В. Формирование стабильных свойств керамических изделий с позиций модифицирования микроструктуры глинистых минералов ионогенными поверхностно-активными добавками //Огнеупоры и техническая керамика. - 2006, №9 - С. 27-30. (лично автором выполнено 2 с.)

Турченко Алла Евгеньевна

Модифицирование структуры сырца и улучшение свойств керамических облицовочных изделий из каолинсодержащего сырья при введении ионогенных ПАВ

Автореферат

Подписано в печать 27. 09.2006г. Формат 60x84 1/16. Усл.-печ. л. 1,18. Усл.-изд. л. 1,25 Бумага писчая. Заказ №518. Тираж 100 экз.

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006, г. Воронеж, ул. XX лет Октября, 84

Введение

1 Особенности формирования структуры сырца керамических материалов с позиций модифицирования микроструктуры глинистых минералов ионогенными поверхностно-активными добавками

1.1 Основные факторы, влияющие на формирование структуры глинисты х д и с п ер с н ы х м атер и ал о в

1.1.1 Условия формирования глинистых минералов и пород

1.1.2 Виды структур глинистых минералов

1.1.3 Особенности межчастичиых взаимодействий глинистых минералов в водных дисперсиях

1.2 Влияние ПАВ на процессы формирования структуры формовочных масс, сырца и готовых керамических изделий

1.2.1 Применение Г1АВ при производстве керамических изделий

1.2.2 Классификация и общая характеристика ПАВ

1.2.3 Анализ влияния ПАВ на структурные свойства глинистых 34 дисперсий

1.2.4 Выбор вида и массовой доли добавок ПАВ

1.3 Модель формирования микроструктуры сырца из каолиноводной дисперсии с ионогенными ПАВ

1.4 Задачи и содержание исследований

2 Методика экспериментальных исследований

2.1 Характеристика сырьевых материалов

2.2 Методы исследований

3 Исследования влияния ионогенных ПАВ на процессы формирования структуры сырца керамических изделий

3.1 Исследование влияния ионогенных Г1АВ на структурно-сорбционные свойства глинистых дисперсных материалов различного минералогического состава

3.1.1. Исследование влияния ионогенных ПАВ на изменение сорбционных характеристик глинистых дисперсий

3.1.2. Исследование влияния ионогенных ПАВ на формирование контактов микроструктуры глинистых дисперсий

3.2. Исследование влияния ионогенных ПАВ на процессы пресс-формования и свойства сырца керамических изделий

3.3. Выводы по главе

4. Исследование и оптимизация технологических факторов получения керамических облицовочных материалов с использованием ионогенных ПАВ

4.1. Оптимизация состава и температуры обжига модельной системы глина - плавни при введении ионогенных ПАВ

4.2. Исследование влияния вида ионогенных ПАВ на физико-механические свойства керамических изделий

4.3. Выводы по главе

Актуальность. Повышение требований к комфортабельности и архитектурной выразительности жилья определяет рост производства отделочных материалов. К 2010 году выпуск отделочных материалов возрастет в два раза, в том числе керамических облицовочных плиток на 70 % [1, 2]. Совершенствование технологии отделочных керамических материалов на основе научно-технических достижений приобретает актуальное значение.

Современная технология керамических строительных материалов и изделий основана на применении многокомпонентных сырьевых смесей полиминерального состава [3,4], поточно-конвейерных линий со скоростными режимами сушки и обжига [5, 6], механизации и автоматизации производственных процессов. В этих условиях большое практическое значение приобретают способы управления процессами формирования структуры изделий на стадиях массоподготовки и формования. Управление этими процессами осуществляется регулированием химического, минералогического и гранулометрического составов [8], влажностного состояния формовочной смеси [9], применением механических, тепловых и электромагнитных воздействий, введением химических добавок [10]. Последнее получило широкое применение [11. 14], поскольку является наиболее доступным способом регулирования свойств формовочной смеси и готовых изделий.

В связи с этим исследование закономерностей использования химических добавок на этапах подготовки сырья и формования керамических изделий с учетом минералогического состава шихты является актуальным.

Цель работы - совершенствование технологии и улучшение свойств керамических облицовочных изделий на основе каолинсодержащего сырья модифицированием структуры сырца ионогенными поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Объект исследований - глинистые дисперсные системы, модифицированные ионогенными ПАВ, предназначенные для получения керамических облицовочных изделий.

Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области материаловедения, физической и коллоидной химии, инженерной геологии, технологии керамики, относящиеся к глинистым дисперсным материалам.

При проведении исследований использовались физико-химические методы оценки характеристик структуры: рентгенографический, электронно-микроскопический; методы активного планирования экспериментов, регрессионный метод анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Диссертационные исследования и разработки выполнены автором в 19952006 гг. па базе лабораторий кафедр строительного материаловедения и химии, Проблемной научно-исследовательской лаборатории Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, ЗАО Г1КФ «Воронежский керамический завод» (ВКЗ) и кирпичного завода ОАО «Воронежское акционерное самолетострои тельное общество» (ВАСО) по темам госбюджетных НИР: «Исследование закономерностей структурного материаловедения и разработка экологически чистых, ресурсоэкономичных строительных материалов и технологий их производства, в том числе на основе техногенного сырья» единый заказ наряд Минобразования РФ (1996 - 2000 г.г.), «Разработка и развитие теории синтеза структур строительных композитов» тематический план Минобрнауки РФ (2001 -2005 г.г.) и в рамках научно-технической программы Минобрнауки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме НИР: «Управление процессами формирования структуры многокомпонентных керамических материалов с использованием химических добавок» (2005 г.). Прикладные диссертационные исследования выполнялись в составе ряда хоздоговорных работ с промышленными предприятиями.

Научная новизна работы:

- изучено влияние ионогенных ПАВ на процессы формирования структуры гли-носодержащих дисперсных материалов с учетом их минералогического состава;

- предложена модель формирования структуры каолиновой дисперсии при прессовании с использованием ионогенных поверхностно-активных добавок;

- подтверждено влияние ионогенных добавок ПАВ на адсорбционные свойства глин, процессы формирования микроструктуры сырца и научно-обосновано их применение при производстве керамической плитки полусухим способом прессования и облицовочного кирпича пластического формования с учетом минералогического состава шихты;

- показано, что применение ионогенных поверхностно-активных добавок в составах каолинсодержащих шихт позволяет улучшить их формовочные свойства и стабилизировать физико-механические показатели качества получаемых кера-м и ч ее ки х м атер и ал о в.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением в исследованиях научно обоснованных методик, комплексных оценок состава, структуры и свойств керамических материалов; методов планирования экспериментов и вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов; использованием аттестованного лабораторного оборудования; использованием комплекса современных физико-химических методов анализа (химического, калориметрического, рентгенографического и электронно-микроскопического).

Практическое значение работы:

- разработаны шихтовые составы на основе каолино-гидрослюдистых глин с ионогенной добавкой для производства керамических облицовочных изделий, что подтверждено патентом № 2270819 РФ МПК С04В 33/00 "Керамическая шихта для изготовления строительных изделий".

- оптимизированы составы шихт на основе каолина с ионогенными поверхностно-активными добавками для производства керамического облицовочного кирпича и разработаны рекомендации по режиму скоростного обжига керамических изделий;

- применение ионогенных добавок ПАВ в составе каолинсодержащих шихт для производства керамических облицовочных изделий обеспечит повышение прочности изделий, улучшение качества поверхности, экономию энергозатрат на этапах формования и обжига изделий.

Внедрение результатов работы. По результатам работы разработаны предложения к технологическим регламентам на изготовление керамической плитки полусухого прессования и керамического кирпича пластического формования из полиминеральной шихты с ионогенной поверхностно-активной добавкой.

На основании технологических предложений выпущена опытно-промышленная партия облицовочного керамического кирпича объемом 100 ООО шт. в условиях кирпичного завода ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество», а также опытно-промышленная партия облицовочной плитки 50 ООО м2 в условиях ЗАО ПКФ «Воронежский керамический завод».

Результаты исследований используются в учебном процессе Воронежского государственного архитектурно-строительного университета при изучении студентами специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» дисциплин: «Химия силикатов и тугоплавких соединений», «Технология строительной керамики», «Технология изоляционных строительных материалов и изделий» и при выполнении УИРС по курсу «Основы научных исследований и технического творчества».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на конференциях международного, республиканского и других уровней: «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений» (Белгород 1997 г.), «Передовые технологии в промышленности и строительстве на пороге XXI века» (Белгород 1998 I'.), «Современные проблемы строительного материаловедения» (Пенза 1998 г.), на V- тых, VI- тых, VII-мых Академических Чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Воронеж 1999 г., Белгород 2000 г., Иваново 2001 г.), «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза 2000 г.), «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула 2001 г., 2002 г., 2003 г., 2004 г.), «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (Белгород 2005 г.), на 52-60 научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (1996-2006 гг.).

На защиту выносятся:

- научное обоснование выбора вида ионогенных поверхностно-активных добавок и их массовой доли в зависимости от минералогического состава глинистых сырьевых м ате р и ал о в;

- модель формирования структуры сырца на основе каолинсодержащей шихты с ионогенными добавоками ПАВ;

- результаты исследований влияния вида ионогенных добавок ПАВ на процессы формирования структуры сырца каолинсодержащих шихт и их связь с физико-механическими свойствами обожженных изделий;

- практические рекомендации по оптимизации каолинсодержащих шихтовых составов с ионогенными добавоками Г1АВ для производства прессованной керамической плитки и керамического кирпича пластического формования.

Публикации. По теме диссертации получен патент № 2270819 «Керамическая шихта для изготовления строительных изделий» и опубликовано 20 печатных работ, в том числе одна в центральном издании.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, 4 приложений и содержит 145 страниц машинописного текста, включая 28 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 101 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложенная концепция формирования структуры сырца с ионогенными ПАВ, учитывает влияние вида и массовой доли добавок в зависимости от минералогического состава шихты, и позволяет повысить качество керамических изделий.

2. Установлено изменение адсорбционной способности глин различного минералогического состава от вида и массовой доли применяемых ионогенных ПАВ.

3. Доказано, что количество адсорбционно-связанной влаги в полиминеральной шихте увеличивается при использовании в качестве адсорбтивов растворов ионогенных добавок Г1АВ, что способствует улучшению формовочных свойств пресс-порошка. Плотность сырца при прессовании возрастает с 2050 до 2095 кг/м\

4. На основании результатов электронной микроскопии показано, что повышение прочности сырца и обожженных изделий обеспечивается в процессе формования за счет увеличения числа контактов между частицами твердой фазы. Экспериментально подтверждено, что введение ионогенных ПАВ в многокомпонентную каолинсодержащую шихту позволяет повысить прочность обожженных изделий на 30 %, при этом коэффициент вариации уменьшиться в 3 раза.

5. Установлено, что введение добавки метилсиликоната натрия обеспечивает повышение и стабильность прочностных показателей обожженных изделий, независимо от изменения влажности формовочной шихты в условиях полусухого прессования (6.8 %).

6. Полученные полиномиальные модели, методом активного планирования эксперимента, позволили оптимизировать прочностные характеристики керамических облицовочных изделий и снизить усадочные деформации. Максимальное значение прочности при изгибе керамических образцов достигается в составах без добавок, с соотношением RO/R2O = 0,2.0,5. Для шихт с гидрофилизирующей добавкой повышение прочностных показателей образцов наблюдаются в составах с соотношением RO/R2O = 0,3.0,5, а с гидрофобизирующей добавкой R0/R20 = 0,2.0,3.

7. Разработанные шихтовые составы на основе каолинсодержащих глин с использованием добавки метилсиликоната натрия, позволили получать керамический лицевой кирпич марки не менее 200 с морозостойкостью 90. 100 циклов.

8. Выполненные исследования определяют пути управления процессом формирования структуры керамических материалов при введении ионогенных добавок ПАВ в процессе массоподготовки и формования сырца и обеспечивают заданный уровень качества керамических изделий.

1. Терехов В.А.Комплексный подход к созданию нового и модернизации действующего производства керамических стеновых материалов Текст./ А.В. Терехов // Строительные материалы. 2003. - №2. - С.8-10.

2. Перспективы развития керамической промышленности России. Новые технологии и оборудование в керамическом производстве Текст./ IV научно-практическая конференция //Стекло и керамика. 2005. - №3. - С. 33 -36.

3. Химическая технология керамики: Учебное пособие для вузов /под ред. Проф. И.Я. Гузмана. М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. -496 с.

4. Боженов П.И. Строительная керамика из побочных продуктов промышленности Текст.: учеб. для вузов / П.И. Боженов, И.В. Глибина, Б.А. Григорьев М.: Строй из дат, 1986. - 136 с.

5. Канаев В.К. Новая технология строительной керамики Текст.: учеб. для вузов / В.К. Канаев. М.: Стройиздат, 1990. -264 с.

6. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики Текст./ В.Ф. Павлов. М.: Стройиздат, 1977,- 239 с.

7. Роговой М.Я. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики Текст.: учеб. для вузов / М.Я. Роговой. М.: Стройиздат, 1974. - 315 с.

8. Шмитько Е.И. Управление плотностью прессованных материалов путем рационального использования потенциала поверхностных и капиллярных сил Текст./Е.И. Шмитько, С.В. Черкасов //Строительные материалы,-1993.-№8,-С.26-29.

9. Шмитько Е. И. О влиянии влажностного фактора на процессы начального структурообразования в цементном тесте. Текст./Е.И. Шмитько // Изв. Вузов. Строительство, 1994. -№ 11. с. 70-75.

10. Суслов А.А. Роль внутренних сил в процессах раннего структурообразования керамических формовочных масс. Текст./ А. А. Суслов, Е.И. Шмитько, А.Т. Важинский // Изв. вузов. Строительство. 1998, - № 11-12. -С.63-68.

11. Лун дина М.Г. Добавки в шихту при производстве керамических стеновых материалов. Текст.: обзор и информ сб./ М.Г Лундина М., 1974. - 25 с,-( Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей/ ВНИИСЭМ; сер.4).

12. Глиняный кирпич, улучшенный введением ПАВ / Хигерович М.И., Байер В.Е., Строительные материалы, 1979, № 5 - С.

13. Хигерович М.И. Добавки ПАВ для снижения энергоемкости при производстве и применении строительных материаловТекст./ Хигерович М.И., Байер В.Е.// Строительные материалы, -1980,- № 11 С.

14. Хигерович М.И. Производство глиняного кирпича Текст./ М.И. Хигерович, В.И. Баер. М.: Стройиздат, 1984. - С.95.

15. Гинзбург И.И. Ближайшие задачи при решении важнейших проблем минералогии глин. Исследование и использование глин. Текст./ И.И. Гинзбург// Материалы совещания во Львове в мае-июне 1957 года / Изд. Львовского университета Львов,1958.-С. 7-31.

16. Сравнительное исследование различных методов подготовки глинистого сырья при производстве строительного кирпича. Текст./ О.А. Чернова, С.Г.

17. Терехина, Р.Н. Одинцов, Л.Н. Иванова //Сб. трудов ВНИИСТРОМа./ ВНИИСТРОМ. М., 1977.-Вып. 37 (65) - С. 73-82.

18. Строкова В.В. Эволюция критериев оценки сырья промышленности строительных материаловТекст|/ В.В. Строкова //Современные проблемы строительного материаловедения: материалы шестых академических чтений РААСН. Иваново, 2000. - С. 511-514.

19. Августинник А.И. Керамика Текст./А.Н. Августиник. Л.: Стройиздат, 1975.- 592 с.

20. Кингери У.Д. Введение в керамику. Текст. : перевод с англ./ под ред. П.П. Будникова, Д.Н.Полубояринова М.: Стройиздат, 1964,- 534 с.

21. Совершенствование технологии полусухого прессования кирпича. Текст./ Г.Д. Ашмарин, В.И. Бурмистров, В.Т. Новинская, Б.П. Тарасевич // Сб. трудов ВНИИСТРОМа,- М.: ВНИИСТРОМ, 1981,- Вып. 45 (73)-С.3-13.

22. Кашкаев И.С. Влияние технологии подготовки глиняных порошков на свойства керамических изделий полусухого прессования Текст./ И.С. Кашкаев, В.Т. Новинская, Н.Н. Климцова// Сб. трудов ВНИИСТРОМа,- М.: ВНИИСТРОМ, 1973. Вып. 25 (53)- С. 12-22.

23. Бураков Г.С. Основы технологии керамики и искусственных пористых заполнителей Текст.:учеб./ Г.С. Бураков. М.: Высш. шк., 1974. - 424 с.

24. Нагибин Г.В. Технология строительной керамики Текст.:учеб./ Г.В. Нагибин. М.:Высш. школа, 1975 - 280 е.

25. Мороз И.И. Технология строительной керамики Текст.:учеб/ И.И. Мороз Киев: Вища школа. - 1972. - 450 е.

26. Юшкевич М.О. Технология керамики Текст.:учеб /М.О. Юшкевич, М.И. Роговой. М.: Стройиздат, 1969. - 400 с.

27. Лесовик С.В. Генетические основы энергосбережения в стройиндустрии. Текст./ С.В. Лесовик // Межд. конф. Ресурсосберегающие технологии строительных материалов изделий и конструкций./ Изд-во "Везелица". Белгород 1993г.- Часть 2 - С.3-4.

28. Лесовик B.C. Повышение эффективности производства строительных материалов с учетом генезиса горных пород Текст.: научное издание / B.C. Лесовик. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. - 526 с.

29. Туровская А.Я. Исследование прочности первичных каолинов Текст./ А.Я. Туровская Днепропетровск, 1959. 17 с.

30. Верном Р.Х. Метаморфические процессы. Реакция и развитие микроструктуры Текст.: пер. с англ./ Р.Х. Верном. М.: Наука, 1980 - 277 с.

31. Аносова Л.А. Изменение состава и деформативного поведения глин при оползневых процессах Текст./Л.А. Аносова М.:Наука, 1966. - 79 с.

32. Горчаков Г.И. Строительные материалы: учеб. для вузов / Г.И. Горчаков, Ю.М. Баженов. М.: Стройиздат, 1986. -690 с.

33. Дубинин М.М. Основные проблемы теории физической адсорбции Текст./ М.М. Дубинин М.: Наука, 1970,- 269с.

34. Галабутская Е.А. Система глина-вода Текст. : учеб. пособие / Е.А. Галабуцкая. Львов: Изд-во Львовского политехи, ин-та, 1962. - 212 с.

35. Овчаренко Ф.Д. Гидрофильность глин и глинистых минералов Текст./ Ф.Д. Овчаренко. Киев.: Изд-во Ан УССР, 1961. - 292 с.

36. Горшков B.C. Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений Текст./ B.C. Горшков, В.Г. Савельев, Н.Ф. Федоров. М.: Высш. шк. - 1988.-400 с.

37. Книгина Г.И. Микрокалориметрия минерального сырья в производстве строительных материалов Текст./ Г.И. Книгина, В.Ф. Завадский. М.: Стройиздат, 1987,- 145 с.

38. Осипов Ю. Б. Текстурный анализ глин Текст./ Ю.Б. Осипов, В.В. Понаморев, Б.А. Соколов М.: Недра ,1989. - 120 с.

39. Осипов В.И.,. Микроструктура глинистых пород Текст./ Ю.Б. Осипов, В.И. Соколов, Н.А. Румянцева. / под ред. Сергеева Е.М.- М.: Недра, 1989. -21 1 с.

40. Ничипоренко С.П. Управление свойствами коагуляционных структур глинистых минералов Текст./ С.Г1. Ничипоренко, С.Г1. Круглицкий В. кн.: успехи коллоидной химии. - М.: Наука, 1973. - С. 190-199.

41. Стороженко Г.И. Изучение взаимодействия некоторых поверхностно-активных веществ с каолинитом. Текст./ Г.И. Стороженко// Изв. Вузов. 1985,-№1 1,- С. 75-78.

42. Щукин Е.Д. Коллоидная химия Текст. : учеб. для вузов / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина- М.: Изд-во Моск. ун-та., 1982. 348 с.

43. Абрамзон А.А. Поврхностные явления и поверхностно-активные вещества Текст.: справочник/ А.А. Абрамзон и др. Л.: Химия, 1984. -392 с.

44. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии Текст.: учеб. для вузов / Д.А. Фридрихсберг С-Пб.: Химия, 1995. - 399 с.

45. Батраков В.Г. Модифицированные бетоны Текст.: 2-е издание / В.Г. Батраков М.: Стройиздат, 1998. - 600 с.

46. Рыбьев И.А. Сгроителшы-юе материаловедение Текст.: учеб. для вузов / И.А. Рыбьев, Л.А; М.: Высш. шк, 2002. - 701 с

47. Вотоцкий С.С. Курс коллоидной химии Текст.: учеб. для вузов /С.С. Воюцкий. М.: "Химия", 1964.- 571 с.

48. Калашников В.И. Основы пластифицирования минеральных дисперстных систем для производства строительных материалов Текст. : дис. . д.-ра. наук : 07.06.96 : защищена 22.07.96 : утв. 15.11.96 / Калашников Владимир Иванович. — Воронеж., 1996, — 90 с.

49. Клюковский Г.И. Физическая химия кремния Текст./ Г.И. Клюковский, Л.А. Мануйлов / под. общ. ред. проф. O.K. Ботвинкина. М.: Гос. изд-во лит. по стр. мат., 1950.-288 с.

50. ГОСТ 3226-93 Глина монтмориллонитовая. Технические условия.Текст.- Введ. 1993-01-01,- М.: Изд-во стандартов, 1993. 8 с.

51. Руководство по рентгеновскому исследованию минералов Текст.:учеб. для вузов / под. ред. В.А. Франк-Каменецкого. Л.: Недра, 1975. -399 с.

52. Горшков B.C. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ Текст.:учеб. для вузов/B.C. Горшков, В.В. Тимашев, В.Г. Савельев. М.: Высш. школа, 1981. -335 с.

53. ГОСТ 3594.2-93. Глины формовочные огнеупорные. Метод определения концентрации обменных катионов кальция и магния Текст.- Введ. 1987-01-01,-М.: Изд-во стандартов, 1993, 8 с.

54. СНиП 3.09.01-85. Приложение 2. (Пособие по применению химических добавок при производстве сборных железобетонных конструкций и изделий) Текст.Введ. 1985-09-01. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 36 с.

55. Косухин М.М. Регулирование свойств бетонных смесей и бетонов комплексными добавками с разными гидрофильными группами Текст.: монография / М.М. Косухин Белгород 2005. -193 с.

56. ГОСТ 8433 81 Вещества вспомогательные ОП-7 и ОП-Ю. Технические условия. Текст.- Введ. 1982-01-01,- М.: Изд-во стандартов, 1982. - 12 с.

57. Лосев В.Б. Кремний плюс органика Текст./ В.Б. Лосев М.: Знание, 1970. -32 с.

58. ГОСТ 13493-86 Е. Натрия триполифосфат. Технические условия. Текст.-Введ. 1987-07-01,- М.: Изд-во стандартов, 1987.- 12 с.

59. Химический энциклопедический словарь Текст./ М.: Сов. энциклопедия, 1983. -790 с.

60. ГОСТ 6141-91 .Плитки керамические глазурованные для внутренней облицовки стен. Текст.-Введ. 1991-07-01,- М.: Изд-во стандартов, 1993. 18 с.

61. ГОСТ 530-95. Кирпич и камни керамические. Технические условия. Текст.- Введ. 1996-07-01.- М.: Изд-во стандартов, 1996. 26 с.

62. ГОСТ 7484-78. Кирпич и камни керамические лицевые. Технические условия. Текст.- Введ. 1979-07-01,- М.: Изд-во стандартов, 1980. 10 с.

63. ГОСТ 7025-91. Кирпич, камни керамические и силикатные. Методы определения водопоглощения, плотности и контроля морозостойкости.Текст.-Введ. 1991-02-02,- М.: Изд-во стандартов, 1993. 12 с.

64. ГОСТ 27180-2001. Плитки керамические. Методы испытаний.Текст.-Введ. 2001-09-06,- М.: Изд-во стандартов, 1993. 12 с.

65. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения предела прочности при сжатии и изгибе. Текст.- Введ. 1985-07-01,- М.: Изд-во стандартов, 1986. 10 с.

66. Книгина Г.И. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей Текст./ Г.И. Книгина, Э.Н. Вершинина, Л.П. Тацки и др. М.: Высшая школа - 1985. -435 с.

67. Микрокалориметрические методы оценки некоторых технологических свойств глинистого сырья Текст./ Г.И. Книгина [и др.].- Изв. Вузов. Строительство и архитектура. 1986. - №1 - С. 73-76.

68. Разработка концептуальных вопросов развития научных исследований по проблемам структурного материаловедения и экологически чистых, ресурсосберегающих технологий Текст.: отчет о НИР (промежуточный)/ Книга 2 ВГАСА // Воронеж, 1996. 76 с.

69. Лотов В.А. Контроль процесса формирования структур в технологии керамических и силикатных материалов Текст. / В.А. Лотов // Стекло и керамика. 1999. - №5.- С. 21 -25.

70. Изменение характера адсорбции ПАВ на поверхности глинистых минералов в присутствии воды Текст./3авадский В.Ф. и др.// Строительство и архитектура. Изв. Вузов. / М.:1987, №8. - С. 74-77.

71. Сидоров В.И. Общая химия Текст.: учебное издание/ Сидоров В.И., Е.Е. Платонова, Т.П. Никифорова . М.: А.С.В., 2002 - 220 с.

72. Суслов А.А. Способы повышения качества прессованных керамических материалов Текст./ А.А. Суслов, А.Е. Турченко // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии: сб. материалов Межд/ науч.-техн. конф. / Тул.ГУ Тула, 2001. - С. 97-98.

73. Шмитько Е.И Проблемы управления процессами раннего структурообразования в керамических дисперсных материалах Текст./ Е.И.

74. Шмитько, А.А. Суслов, А.Е. Турченко // Проблемы строительного материаловедения и новые технологии: сб. докл. Межд. конф./ БелгТАСМ. -Белгород.!997,- 4.5 С. 234-236.

75. Суслов А.А. Термодинамическая оценка влияния влажностного фактора на формирование структуры керамических дисперсных масс Текст. / А.А. Суслов, В.В. Шаталова, А.Е. Турченко ; ВГАСА. Воронеж. 2001.-5 с. Деп. в ВИНИТИ 09.10.01, №2127-В2001.

76. Турченко А.Е. Формирование структуры керамических материалов из многокомпонентных шихт с использованием гидрофобизирующих и гидрофилизирующих добавок Текст./ А.Е. Турченко, А.А. Суслов // Вестник

77. БГТУ им. В.Г. Шухова: мат-лы междунар. науч.- практ. конф./ Изд. БегГТАСМ,-Белгород 2005,- №10. С.-299-302.

78. Суслов А.А Формирование стабильных свойств керамических изделий с позиций модифицирования микроструктуры глинистых минералов ионогенными поверхностно-активными добавками Текст./ А.А. Суслов, А.Е. Турченко,

79. B.В. Шаталова// Огнеупоры и техническая керамика,- 2006. №9. - С. 27-30

80. Рекшинская Л.Г. Атлас электронных микрофотографий глинистых минералов и их природных ассоциаций Текст./ Л.Г. Рекшинская,- М.: Изд. «Недра» 1966. 230 с.

81. Суслов А.А. Управление процессами раннего формирования структуры керамических материалов Текст./А.А. Суслов А.А., Е.И. Шмитько, А.Е. Турченко // М.: НТС «Стройинформ», Строитель,- 2003. №2. С. 74-80.

82. Ахназаров С.Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. Текст./ С.Л. Ахназаров, В.В. Кафаров. М.: Высш. шк., 1978. -319 с

83. Вознесенский В.А. Статистические решения в технологических задачах. Текст./ В.А. Вознесенский. Кишенев: Изд-во. Карта Молдов, 1978. -319

84. Гончаров Ю.И. Разработка технологии лицевого керамического кирпича на основе высокожелезистых глин Акпобинского месторождения Текст./ Ю.И. Гончаров // Строительные материалы. 2004. - №4. - С.26 - 27.

85. Суслов А.А. Исследование свойств глинистого сырья юга воронежской области./ А,А. Суслов, А.Е. Турченко, А.С. Шаров // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии: сб. мат. 5-й Межд. науч.-техн. конф./ Тул.ГУ Тула, 2004. - С. 86-87