Керамическая масса

Изобретение относится к составам керамических масс для изготовления стеновых строительных изделий, преимущественно кирпича, и может быть использовано в промышленности строительных материалов. Техническим результатом изобретения является повышение прочности, архитектурной выразительности и уменьшение степени общей усадки. Указанный технический результат достигается тем, что керамическая масса содержит суглинок, выгорающую добавку, железосодержащий отход производства и керамзитовую вспучивающую глину. В качестве выгорающей добавки керамическая масса содержит "скоп" - осадок сточных вод от химической обработки отходов производства картона, а в качестве железосодержащих отходов взят осадок из циклонов от очистки поверхности стальных конструкций или деталей дробеструйным аппаратом при следующем соотношении компонентов, об.%: суглинок - 64-66; выгорающая добавка - 6-9; железосодержащий отход - мелкодисперсный осадок из циклонов от очистки поверхности стальных деталей и конструкций дробеструйным аппаратом - 7-13; керамзитовая вспучивающаяся глина - 15-20. 4 табл.

 

Изобретение относится к составам керамических масс для изготовления стеновых строительных изделий, преимущественно кирпича, и может быть использовано в промышленности строительных материалов.

Известна керамическая масса, включающая глинистое сырье, выгорающие компоненты (уголь, древесные опилки), баритовый утяжелитель и железосодержащий отход сталепроволочного производства при следующем соотношении всех компонентов, мас.%:

глина	83-87
опилки	4-5
уголь	2,5-3,5
баритовый утяжелитель	4-5
железосодержащий отход
сталепроволочного производства	2,5-3,5

(См. Авторское свидетельство РФ №2083526, МКИ³ С 04 В 33/00, опубликовано 1997 г.).

Наряду с большими достоинствами известного состава (снижено водопоглощение, достигается красивый архитектурный вид), имеются и недостатки, конкретно:

1. Сложная технология приготовления формовочной массы, т.к. баритовый утяжелитель и железосодержащий отход сталепроволочного производства необходимо предварительно молоть в мельницах до мелкодисперсного состояния. В противном случае на поверхности изделий будут образовываться дефекты (выплавки, "мушка"), что не допускается для лицевого кирпича.

2. Недостаточная прочность высушенного кирпича (повышается брак за счет половняка). Последнему способствует баритовый утяжелитель.

3. Повышенная степень зауглероживания внутри кирпича (темные участки), в том числе и появления отдельных темных пятен на лицевой поверхности. Последнему способствуют органические выгорающие добавки (уголь и древесные опилки).

Наиболее близкий состав керамической массы по качественно-техническому решению, приведен в статье А.И.Ефимов "Применение железосодержащих отходов в производстве керамического кирпича". М.; ВНИИЭСМ, экспресс - информация, серия №4, Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей, выпуск 3, 1987 (см. состав №2, стр.2, табл.1).

Известный состав содержит компоненты при следующем соотношении, об.%:

суглинок	70
опилки древесные	18
железосодержащий
шлам - отход анилино-красочного производства	12

Известный состав имеет следующие достоинства:

1. Утилизируются сразу два вида отхода (опилки и шлам железосодержащий).

2. Железосодержащий шлам не требует предварительной обработки.

3. Сравнительно низкая плотность кирпича 1630-1650 кг/м³.

Наряду с указанными достоинствами имеются и недостатки, конкретно:

1. Недостаточно высокая прочность кирпича, 15-17,5 МПа, что лимитирует выпуск лицевого кирпича с маркой М 125 и выше.

2. Низкий архитектурный вид, например выцветы, пятна зауглероживания, что лимитирует выпуск лицевого кирпича. Выцветы образуются вследствие содержания в железосодержащем шламе растворимых солей, щелочных и щелочно-земельных металлов, а темные пятна - за счет сгорания опилок;

3. Нарушается экология окружающего воздуха в цехе сушки, так как ощущается не совсем приятный запах, присущий анилиновым красителям.

4. Усложняется технология производсвта, так как шлам предварительно сушат.

Задачей изобретения является повышение прочности, архитектурной выразительности и уменьшения степени общей усадки.

Для реализации задачи в состав керамической массы, включающей суглинок, выгорающую добавку, железосодержащий отход производства, отличающаяся тем, что в качестве выгорающей добавки она содержит "скоп" - осадок сточных вод от химической обработки отходов картона, а в качестве железосодержащих отходов взят осадок из циклонов от очистки поверхности стальных конструкций или деталей дробеструйным аппаратом и дополнительно введена керамзитовая вспучивающая глина при следующем соотношении всех компонентов, об.%:

суглинок	64-66
выгорающая добавка	6-9
железосодержащий отход - мелкодисперсный
осадок из циклонов от очистки поверхности
стальных деталей и конструкций дробеструйным
аппаратом	7-13
керамзитовая вспучивающаяся глина	15-20

Были проведены испытания, где использовали компоненты с нижеследующими характеристическими свойствами.

1. Суглинок Осиногорского месторождения (Тульская область). По гранулометрическому составу I слой суглинков характеризуется составом: глинистых частиц 10%, песчаных 60%, пылеватых 30%. II слой суглинков характеризуется составом: глинистых частиц 6%, песчаных 40%, пылеватых 55%. Сырье является с низким количеством крупнозернистых включений с преобладанием мелких песчано-каменистых и карбонатных включений. Данное сырье относится к группе "кислое". Суглинки являются неспекающимися легкоплавким умеренно-пластичным сырьем (число пластичности 10-13), за исключением второго слоя, он - малопластичен (число пластичности 3-5). Водопоглощение суглинков 13%, предел прочности при сжатии 81-134 кг/см², при изгибе 29-44 кг/см² (при температуре 950-1000°С). Цвет после обжига - красный.

По химическому составу суглинки характеризуются следующим содержанием компонентов, %: SiO₂ 68,21-78,5, AI₂О₃ 8,89-13,95, Fe₂O₃ 3,24-5,47, CaO 0,65-2,85, MgO 0,6-1,7, SO₃ 0,02-0,18, Na₂O 0,57-1,06, К₂О 1,72-2,92, TiO₂ 0,1-0,2, п.п.п.3,11-5,34.

2. Выгорающая добавка - "скоп" осадок сточных вод от химической обработки отходов картона органическими кислотами типа лимонной. Имеет высокую влажность 60-80%. В сухом состоянии имеет следующие свойства:

- средняя плотность - 420-470 кг/м³;

- доля в шламе сухого скопа составляет - 20-40%.

Таблица 1 - Химический состав скопа.
Содержание оксидов, мас.%
1	2	3	4	5	6	7
SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Fe2О3	ТiO2	ППП
26-30	17-20	0,15-0,18	0,6-0,2	0,1-0,3	0,05-0,1	остальное
Таблица 2 - Вещественный состав скопа
Наименование веществ, входящих в состав минерального остатка скопа, до его сгорания	Номер средней пробы	Среднее значение
	1	2	3
1	2	3	4	5
Целлюлозное волокно	51	55	50	52
Каолин	46,7	41,9	47,9	45,5
Примеси (канифоль, органические кислоты)	2,3	3,1	2,1	2,5

На основании данных таблицы 2 выгорающая добавка представляет собой целлюлозно-волокнистое органоминеральное вещество, то есть это композиционный отход производства. Причиной завышенной средней плотности скопа является присутствие в его вещественном составе алюмосиликатного вещества (каолина).

3. Железосодержащий отход - это железосодержащая пыль, которая оседает в циклонах. Образуется такая пыль при очистке поверхностей стальной промышленной арматуры (например, задвижек газопроводов и др.). Дробь диаметром менее 2 мм вместе со струей воздуха направляется аппаратом на стальную поверхность деталей, причем под большим давлением. Под действием ударов дроби поверхность стальных или чугунных деталей становится гладкой, блестящей. Образующаяся железная пыль оседает в циклонах. С поверхности удаляются и частицы опоки, состоящей из глины и кварцевого молотого песка.

В составе содержится не менее 50% (Fe+Fe₂O₃+FeO). Остальное алюмосиликатная пыль (Al₂О₃+SiO₂) от опоки. Перед применением осадок из циклонов просеивается через сито с диаметром ячеек 0,315 мм. На сите задерживаются гранулы стальной дроби, а просеянная составляющая вводится в состав формовочной керамической массы. Часть стертых микрочастиц от стальных шариков (дроби) попадает в состав указанной добавки. Удельная поверхность пыли из циклонов 120-140 м²/кг.

4. Керамзитовая вспучивающая глина - это высокодисперсная глина, в составе которой преобладают мелкие части (менее 0,001 мм), причем количество их изменяется от 35 до 83%. Глина является слабоизвестковой, среднепластичной, число пластичности составляет 17,8-25,7.

Химический состав глины: содержит, мас.%: SiO₂ 40,9-62,28%, Fe₂О₃ 10,18-25,7%; Al₂О₃ 12,9-24,53; CaO 0,88-4,0; MgO 0,36-3,35; TiO₂ 0,62-1,02; п.п.п.1,31-11,97.

По огнеупорности глина относится к легкоплавкой t_огн. менее 1350°С.Коэффициент вспучивания сравнительно небольшой, изменяется от 2,5 до 5,0. Температура начала вспучивания 1000-1150°С. Водопоглощение колеблется от 3% до 7%. Предел прочности при сжатии 36-40 МПа.

Способ получения керамической массы заключается в следующем: осуществлены опыты по реализации состава керамической массы с использованием компонентов, взятых по объему, указанных в таблице 3. Всего было приготовлено пять партий формовочных масс. Вначале подсушили "скоп" до влажности 60%. Полученный влажный скоп-шлам перемешали с сухим мелкодисперсным предварительно просеянным через сито с диаметром отверстий 0,315 мм железосодержащим сыпучим осадком, взятым из циклона. Полученную полусухую смесь перемешали с отдозированным по объему порошком, состоящим из двух глин - суглинка и керамзитовой глины (диаметр частиц глин менее 2 мм). Смесь полусухих порошков доувлажнили водой до формовочной влажности 20%. Из полученной пластичной массы формовали (вручную) под удельным давлением 2,5 МПа образцы размером 50×50×50 мм, с последующей их сушкой при максимальной температуре 75±5°С в течение 72 часов, а затем обжигали в кольцевой заводской печи при t_max=1000°С. После обжига испытывали на прочность и архитектурный вид (см. таблицу 4).

Таблица 3 - Состав керамической массы
№	Компоненты массы (сухие)	Номера опытных масс и их составов	Прототип %по
п/п		1	2	3	4	5	объему
1.	Суглинок	68	66	65	64	64	70
2.	Выгорающая добавка:
2.1.	Скоп (на сухую составляющую)	5,6	6	8	9	9,5
2.2.	Опилки древесные	-	-	-	-	-	18
3.	Шлам железосодержащий (по сухому состоянию) - отход анилино-красочного
	производства	-	-	-	-	-	12
	Железосодержащий отход - мелкодисперсный (сухой) осадок из
4.	циклонов от очистки поверхности стальных конструкций, деталей дробеструйным аппаратом	12,4	13	9	7	6
5.	Керамзитовая вспучивающая глина	14	15	18	20	20,5	-
Примечание: составы №1 и №5 - запредельные.

Таблица 4 - Свойства образцов стеновой керамики
№п/п	Свойства	Номера опытных масс и величин параметров	Прототип
		1	2	3	4	5
1.	Предел прочности при сжатии, МПа	30,2	31,5	24,2	20,7	17,1	18,7
2.	Цвет после обжига	Красный	Светло-красный с оранжевым оттенком	Темно-красный с темными пятнами от зауглероживания
3.	Усадка:
3.1.	Воздушная (после сушки)	8,0	8,12	8,75	9,00	9,27	8,6
3.2.	Общая	8,8	8,5	8,2	8,0	7,8	12,4

Примечание: составы №1 и №5 для внедрения на заводе не рекомендуются, так как в составе №1 не достигается архитектурный вид, а для состава №5 прочность ниже, чем известного состава (прототипа).

Как видно из таблицы №4, состав предлагаемой керамической массы, соответствующей смесям №2; 3; 4 (см. табл.3), отвечает поставленной цели, так как в сравнении с прототипом наблюдается:

а) увеличивается прочность на 2-12,8 МПа (или 16-68%);

в) повышается архитектурная выразительность за счет приобретения более светлых тонов с оранжевым оттенком и исключения высолообразований;

с) почти полностью исключается огневая усадка, а следовательно, уменьшается и степень общей усадки (на 32-36%).

Физико-химическая сущность достижения цели объясняется совокупностью положительного действия на суглинок всех трех добавок конкретно:

1. "Скоп" выполняет роль не только выгорающей добавки, за счет сгорания целлюлозной составляющей, но и способствует трещиностойкости при сушке, так как волокна целлюлозы тормозят процесс быстрого испарения влаги в первый (опасный) период подогрева керамического сырца. В конечном счете это положительно сказывается и на прочности обожженного кирпича. "Скоп" более лиофилен в сравнении с древесными опилками, содержащихся в составе. Кроме того, "скоп" содержит 60-70% золы белого цвета, состоящей из метакаолинита Al₂O₃·2SiO₂, который, как известно, переходит в муллит 3Al₂O₃·2SiO₂ аморфный кремнезем в соответствии с реакцией разложения:

Муллит увеличивает прочность, а аморфный кремнезем связывает растворимые соли щелочных и щелочно-земельных металлов в нерастворимые силикаты (см. Мороз Технология строительной керамики. - Киев. Вища шк. 1980. - 384 с., конкретно с.144 вверху.)

Например: a) Ca₂SO₄+SiO₂=Ca₂SiO₃+SO₃↑

б) Na₂SO₄+SiO₄=Na₂SiO₃+SO₃↑

Образование стеклофазы способствует повышению прочности и предотвращению образования светлых пятен на поверхности керамики, а белый цвет золы от сгорания скопа способствует красножгущимся суглинкам приобретать после обжига светлые тона.

Итак, зола от "скопа" способствует повышению прочности, сообщению светлого тона и уменьшению степени высолообразований.

2. Железосодержащий отход, введенный с пылью из циклонов от очистки поверхности стальных деталей или конструкций, выполняет одновременно роль плавня, так как содержит не менее 50% Fe₂О₃, и роль отощающей добавки, так как остальное (до 100%) приходится на долю алюмосиликатной составляющей (термообработанной опоки, состоящей из глины и кремнезема). Все плавни, в том числе и Fe₂О₃, увеличивают прочность суглинков за счет образования стеклофазы, состоящей из фаялита - FeSiO₃. Стеклофаза, как известно, связывает кристаллические минералы типа муллита в прочный конгломерат. Количество Fe₂O₂, в составе принятых суглинков % дополнительно пополняется и введением керамзитовой вспучивающей глины, содержащей в сравнении с суглинками 1,5-2 раза больше этого оксида.

Следует заметит, что новизна увеличения прочности керамических изделий заключается не только в действии плавня Fe₂O₂, но и в армирующем действии микрочастиц стали, то есть предлагаемый состав керамической массы позволяет получить дисперсно - армированный микрочастицами стали керамический композит.

3. Керамзитовая глина способствует увеличению прочности, так как является полукислой, а принятые суглинки кислыми, то есть в составе суглинков повышается не только количество плавня - Fe₂O₂, но и Al₂О₃, а следовательно, и количество основного минерала муллита. Кроме того, эта глина способствует и увеличению трещиностойкости при сушке сырца, так как является более пластичной, чем суглинки. Наукой и практикой установлено, что добавка более пластичных глин к менее пластичным суглинкам способствует прочности при разрыве в процессе сушки сырца-кирпича, что противодействует усадочным напряжениям (см. Нахротян К.А. Сушка и обжиг в промышленности строительной керамики. - М.: Стройиздат, 1962. - 604 с.).

В конечном счете это способствует также повышению прочности обожженных изделий. За счет керамзитовой глины почти исключается огневая усадка, а следовательно, уменьшается степень общей усадки, но не настолько, чтобы увеличивались размеры кирпича, установленные ГОСТ 530-95 "Кирпич и камни керамические". Этот процесс регулируется установленной нормой добавки этой глины в составе массы, т.е. есть в предлагаемом составе в пределах 15-20% от сухой массы. Уменьшение степени общей усадки объясняется одним фактором - признаком начала вспучивания керамзитовой глины при температуре обжига кирпича (1000°С). Цвет этой глины после обжига светло-коричневый. Совокупность цветов красного от обожженных суглинков, белого от скопа и светло-коричневого от керамзитовой глины дает светло-красный цвет керамике с оранжевым оттенком.

4. Экономическая целесообразность в сравнении с прототипом следующая:

4.1. На основе предлагаемого состава можно изготовить не только обычный стеновой, но и лицевой кирпич, имеющий более высокую отпускную стоимость (на 20-25% выше).

4.2. "Скоп" и железосодержащие мелкодисперсные частицы не требуют дополнительной обработки, а железосодержащий шлам прототипа предварительно сушат, что связано с теплоэнергозатратами.

4.3. Уменьшается на 10-15% брак при сушке сырца.

4.4. Выгорающая добавка в составе прототипа - (древесные) опилки относятся к числу дорогостоящих отходов, так как на их основе изготавливаются и другие строительные материалы типа: арболита, "ДВП" и другие. "Скоп" в составе предлагаемого состава в десятки раз дешевле опилок, а также занимает площади сельскохозяйственных угодий, т.е. есть утилизация "скопа" направлена и на охрану окружающей среды.

4.5. Уменьшается (экономится) расход формовочной массы за счет уменьшения общей усадки кирпича-полуфабриката.

4.6. Утилизируются два малоиспользованных отхода.

Вывод: на основании п.4.1.-4.6. себестоимость изделий стеновой керамики из предлагаемого состава массы на 15-20% ниже в сравнении с изделиями прототипа.

Керамическая масса, включающая суглинок, выгорающую добавку, железосодержащий отход производства, отличающаяся тем, что в качестве выгорающей добавки она содержит "скоп" - осадок сточных вод от химической обработки отходов производства картона, а в качестве железосодержащих отходов взят осадок из циклонов от очистки поверхности стальных конструкций или деталей дробеструйным аппаратом и дополнительно введена керамзитовая вспучивающая глина, при следующем соотношении всех компонентов, об.%:

Суглинок	64-66
Выгорающая добавка	6-9
железосодержащий отход -
мелкодисперсный осадок из циклонов
от очистки поверхности стальных
деталей и конструкций дробеструйным аппаратом	7-13
Керамзитовая вспучивающаяся глина	15-20