автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Управление процессом прессформания и повышение качества керамического кирпича

Воронежская государственная архитектурно-строительная академия

Л » г* г - - л(ГТ>

/О ./ г __ Г >. , -

¿У/ с J ^ ^ •

На правах рукописи ВАЖИНСКИЙ АЛЕКСАНДР ТРОФИМОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ПРЕССФОРМОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА КЕРАМИЧЕСКОГО КИРПИЧА

05.23.05 - строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Е, И. Шмитько

Научный консультант кандидат технических наук доцент А.А. Суслов

Воронеж -1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................... 5

1. Структура керамического камня и ее связь с технологическими факторами................................................................................................ 15

1.1. Общие характеристики структуры................................................. 15

1.2.Структурно-вещественные характеристики глинистого сырья.... 18 1.2.1 .Химический и минеральный состав глин............................. 19

1.2.2.Состав и дисперсность глинистого сырья. Керамические свойства................................................................................ 24

1.2.3.Характеристики глинистого сырья Семилукского комбината строительных материалов........................................................................28

1.3.Пути управления капиллярно-пористой структурой кирпича на стадии его прессования................................................................. 33

Выводы по первой главе......................................................................... 38

2.Теоретические представления и практические данные о поведении воды в дисперсных системах.............................................................. 40

2.1.Поверхностное натяжение на границах фаз как фактор, определяющий способность дисперсной системы изменять свою структуру........................................................................................ 40

2.2.Некоторые практические данные об участии поверхностных

сил в самоорганизации структуры дисперсных систем............... 54

2.3.Особенности состояния воды в глинообразующих минералах,

возможные пути использования внутренних сил......................... 60

Выводы по второй главе.......................................................................... 68

3 .Методика исследований....................................................................... 70

3.1 .Методика оценки степени влияния внутренних сил на процессы самоорганизации структуры глинистых композиций............ 70

3.2.Использование графической зависимости плотности отпрессованного сырца от влажности рс- /(В/Т) или рс=/(\^), с целью определения оптимального значения влажности формовочной смеси............................................................................................... 71

3.3.Использование графической зависимости Р=/(\¥) с целью оптимизации прессового давления и оптимизации влажности по максимуму прочности сырца........................................................ 73

3.4.Исследование зависимости величины обратных деформаций (е) от величины влажности формовочной массы (Л¥) и величины прессового давления (Р), с целью прогнозирования сохранности структуры отпрессованного кирпича..........................................................................................................74

Выводы по третьей главе........................................................................ 76

4.Исследование влияния влажностного фактора на процессы струк-турообразования в мономинеральных и полиминеральных формовочных массах...................................................................................... 77

4.1 .Технологические эффекты, обусловленные процессами взаимодействия воды с глиняными частицами................................... 77

4.2.Исследование влияния влажностного фактора на самоорганизацию структуры каолиновой глины............................................ 82

4.3.Исследование влияния влажностного фактора на самоорганизацию структуры глины группы монтмориллонита..................... 89

4.4.Исследование влияния влажностного фактора на самоорганизацию структуры формовочной массы Семилукского КСМ....... 95

4.5.Исследование влияния влажностного фактора на прессуемость

формовочной массы Семилукского КСМ.................................... 98

4.5.1 .Исследование зависимости Р=/(В/Т)................................... 99

4.5.2. Исследование зависимости плотности отпрессованного сырца от В/Т-фактора и давления прессования................. 101

4.5.3.Исследование деформации расширения отформованного сырца.................................................................................... 103

4.5.4.Исследование зависимости прочности сырца от влажностного фактора..................................................................... 107

4.6.Технологические оценки эффективности оптимального управления структурой сырца................................................................ 109

Выводы по четвертой главе.................................................................... 117

5.Практические вопросы совершенствования технологии кирпича

ттлгп rm п/лтл ттчлаллгто г тгг 101 HUJlj WJ' ЛУ1 С A IjJ W UDClll fJL/1 ...............................4 ♦ .............................................1^.-1

5.1 „Сравнительные испытания технических возможностей технологий пластического сЬоимования и полусухого ггоессования

х .г w .а

на сырье Семилукского КСМ....................................................... 121

5.1.1. Поиск оптимальных параметров пластического способа производства керамического кирпича................................ 121

5.1.2.Поиск оптимальных параметров полусухого способа

TTt^mjrOTJ А ТТЛТП ^ ТСЛПЛТ! /ГТЛТЛЛТЛЛГ'Л ТЛТУПТТТТГТО 1 тл

i и ci jvwpciivj.ji'x-iwvivwi «J ivfApjuiri HL«..........................................г . >-r

R KIR Г» ДМ Г! Г» пя-i rrf>!nv S 1 140

— • .......................................................................... -

5.2.Оптимизация в производственных условиях сЬактооа влажно-

1 X • 4 .Li

сти................................................................................................... 140

5.3.Модернизация коленорычажного пресса ПМК- 630 с целью повышения качества кирпича, ресурса работы пресса................ 144

5.4.Разработка практических предложений по переводу колено-

ПТ ¥Т¥ОМЛ1ЖТ TV ТТПОЛЛ/ЧП ГТО 1ГГ7«ОП nfiamll IJ nawiIHl О ¿'Л / Л '1'J I / TmAQTJwr '?*'V

phi ti/i\i«oiл ixpwwvijiS iici у 1¡Jcioj |.л«._/LVioipvmriM |jc>>_«_' ■ 01 ^iipUvn i -ж*.

яяния на пазпаботку системы автоматизированного у правде-

J 'S*1*'-*-*- ■«-»••■ j^* j л- j-' J f

ния)......................................................................................................158

/

5.5. Оценка технико-экономической эффективности внедрения практических разработок диссертации..........................................168

6.Основные выводы..............................................................................................173

7.Список литературы....................................................................................................................................................175

0 I 1«иттл%¥уаттпл Kirtl # 1 R5

tJ.i ApjriJi«Jyi\.^nir±V Jl^i.................................................................................... . X

9. Приложение №2..................................................................................... 187

10 .Приложение №3................................................................................... 189

X

ВВЕДЕНИЕ

Керамический кирпич - один из немногих древнейших материалов, сохранивших свои позиции и в современном строительстве.

В нашей стране технология керамического кирпича в послевоенные десятилетия развивалась относительно медленно в связи с доминировавшей концепцией полносборного строительства. Однако происходящие в последние годы социально-экономические реформы существенно изменили стандарт жилья, методы строительства, благодаря чему резко возрос спрос на керамический кирпич высокого качества.

Основное традиционно сложившееся назначение керамического кирпича -возведение стен жилых и промышленных зданий, других сооружений. Утвержденные Минстроем России и введенные с 1 сентября 1995 года изменения № 3 к СНиП 11-3-79 «Строительная теплотехника», значительно ужесточившие требования к теплозащите наружных ограждений зданий и сооружений, существенно повлияли на снижение спроса на кирпич как стеновой материал, из-за чего заводы, выпускающие обыкновенный кирпич относительно невысокого качества, попали в трудное экономическое положение. Вместе с тем спрос на кирпич облицовочный высокого качества практически не снизился. Кирпич высокого качества с успехом применяется, и как стеновой, в сочетании с эффективными теплоизоляторами и как декоративно-отделочный. С его применением возможно строительство зданий любого назначения самой высокой комфортности. По экологической чистоте кирпич относится к группе материалов 1-го класса /1/. Значительные объемы производимого кирпича потребляются индивидуальными застройщиками, для которых новые нормы теплозащиты не являются строго обязательными.

Из высказанных положений следует необходимость значительного совершенствования технологии керамического кирпича. Только этот путь позволит сохранить или даже повысить конкурентоспособность кирпича отечественных

предприятий, в том числе и применение технологии полусухого формования на мировом рынке.

Выносимые на защиту диссертационные исследования посвящены вопросам совершенствования технологии керамического кирпича и поэтому актуальность разрабатываемой темы представляется достаточно обоснованной.

В данном случае актуальность, важность работы может рассматриваться как в масштабе отрасли, так и в масштабе конкретного предприятия, а именно -Семилукекого комбината строительных материалов, который на протяжении последних десяти лет возглавляет автор диссертации. Эти десять лет были годами постоянных научных и практических поисков, принятия определенных решений. В связи с этим вопросы, рассматриваемые в диссертации, оказали самое непосредственное влияние на историю развития комбината, последовательное совершенствование технологии производства керамического кирпича, привело к тому, что, по качеству выпускаемой продукции, он стал одним из лучших отечественных производителей.

Как известно /1...18/ производство керамического кирпича может быть организовано по пластической, полусухой и по смешанной технологиям. Объективно большими возможностями получения кирпича высокого качества обладают технология пластического формования и смешанная технология. Однако, высокая насыщенность этих технологий оборудованием и, соответственно, высокие энергозатраты, их приспособленность к сырью высокого качества, привели к тому, что на территории России за последние десятилетия строились заводы, использующие технологию полусухого прессования кирпича. Очевидно, что многие производители в целях завоевания рынка пойдут на «возврат» к технологии пластического формования. Но очевидно и то, что многим такой путь окажется недоступным как по финансовым соображениям, так и с точки зрения доступности сырья. Поэтому совершенствование технологии полусухого способа производства керамического кирпича представляется наиболее актуальным.

Основными переделами производства кирпича полусухим способом являются переделы первичной и окончательной подготовки формовочной массы,

прессования сырца, досушки и обжига изделий. Каждый из этих переделов ответственен за качество конечного продукта и требует своего специфического внимания, т.е. решения самостоятельных задач исследования и практических поисков, пределы которых очерчены основополагающими законами протекания основных технологических процессов.

Представляемые автором диссертационные исследования сосредоточены на процессах подготовки формовочной массы и прессования изделий. Предварительный анализ технологии /I ...22,54...77/ производственный опыт показали, что на этих переделах имеет место множество невыясненных моментов, не позволяющих надежно обеспечить высокое качество выпускаемой продукции. Это касается , прежде всего, научной основы практических разработок.

Недостаточность научной основы порождает практические рекомендации частного характера, их неуниверсальность, расплывчатость формулировок. Самым же главным, на наш взгляд, является то, что направленность многих общеизвестных технологических рекомендаций недостаточно однозначна, иногда противоречива, что является препятствием к надежному управлению технологическим процессом.

Между тем современные достижения физической и коллоидной химии, фи-зико-химии поверхностных явлений позволяют по-новому взглянуть на многие известные положения, заставить их «работать» более эффективно. Речь идет, прежде всег о, о поверхностных энергиях, адсорбции, смачивании, сольватных оболочках, пленочном расклинивающем, капиллярном стягивающем давлениях, которые, как показывают исследования /23...53/, играют определяющую роль в формировании структуры дисперсных систем, к которым с полным основанием можно отнести и керамические формовочные смеси.

Поэтому исследование процессов раннего (на стадии подготовки сырьевой смеси и формования изделий) структурообразования с привлечением потенциала внутренних сил на примере технологии керамического кирпича полусухого прессования и отработка практических вопросов управления этой технологией представляют главную цель диссертационной работы.

В соответствии с целью диссертационной работы определены следующие ее задачи:

1. Рассмотреть структурные аспекты для керамических систем, определить критерии качества структуры, обосновать факторы управления структурой, в том числе - на ранней стадии ее формирования.

2. На основе новейших положений физико-химической механики (термин H.A. Ребиндера) дисперсных систем, учения о поверхностных энергиях и межфазных взаимодействиях сформулировать научную концепцию исследований, определить методологические и методические подходы к исследованию.

3. Выявить возможное влияние минералогического и зернового составов глинистого сырья на проявление внутренних сил на этапах подготовки формовочных масс и прессформования изделий на структурные изменения, соответственно полученным результатам обосновать пути повышения его качества, снижения энергозатрат, повышения ресурса работы прессового оборудования.

4. Исследовать технологические факторы управления процессом прессования изделий и наметить практические приемы реализации оптимального управления технологическим процессом.

5.На основании лабораторных, производственных исследований и непосредственно практического опыта подтвердить технико-экономическую эффективность научно-практических предложений.

6.Сформулировать выводы и обобщения по диссертации.

Исследования и разработки, обобщенные в диссертации, проведены автором в составе творческого коллектива, занимавшегося многие годы совершенствованием технологии керамического кирпича на Семилукском комбинате строительных материалов, основные результаты диссертации получены автором лично в результате производственных изысканий, а также исследований, выполненных на завершающей стадии в качестве соискателя при кафедре технологии вяжущих веществ и бетонов Воронежской государственной архитектурно-строительной академии в период 1996... 1998 г.г.

Научная новизна работы состоит в том, что, используя современные теоретические представления физической и коллоидной химии о поверхностной

энергии, поверхностном натяжении на границах фаз, об особом состоянии воды в адсорбционных и поверхностных слоях, о конкурирующем взаимодействии пленочной и капиллярной воды, об электростатических взаимодействиях в дисперсных системах, которые в комплексе приводят к самоуплотнению или саморазуплотнению дисперсных систем, автор диссертации показал, что все отмеченные факторы формирования структуры дисперсных систем справедливы и для глинистого сырья, применяемого в технологии керамического кирпича. Целенаправленное использование дополнительных механизмов структуро-образования позволяет получить сырец кирпича наивысшей для рассматриваемой технологии плотности и, соответственно, с самыми высокими другими определяющими качественными характеристиками.

Показано, что механизм проявления внутренних структурообразующих сил в глинистом сырье намного сложнее, чем в таких относительно простых системах, как «цемент-вода», «молотый песок-вода», и зависит, в первую очередь, от минералогического состава сырья, дисперсности, влажности, величины прессового давления.

Сложность механизмов формирования структуры керамического кирпича обусловлена анизотропной слоистой структурой глинообразующих минералов, электрической заряженностью глинистых частиц, имеющий место поверхностной и внутрислоевой адсорбцией воды, одновременным проявлением различными глинистыми минералами гидрофильных и гидрофобных свойств.

Формовочные свойства глинистых масс являются аддитивной функцией его минералогического и зернового составов, в то же время преобладающее содержание того или иного минерала может являться определяющим. В частности, при высоком содержании каолинита поведение глинистой массы несколько упрощается, так как каолинит адсорбирует воду примерно в равной степени на внешней поверхности глинистых частиц и внутрипакетно. Минералы же группы монтмориллонита и гидрослюд обладают высокой внутрислоевой адсорбцией и диспергируем остью, поэтому фактор саморазуплотнения структуры в них существенен и поэтому оптимизация фактора влажности для них особенно важна.

Влияние влажности, как фактора структурообразования, состоит в том что в определенных интервалах содержания вода разуплотняет глиняно-водную систему, в других же интервалах, наоборот , уплотняет. Главную роль в этом играют пленочное расклинивающ