состав массы для стеновой керамики
Классы МПК: | C04B38/08 полученные добавлением пористых веществ |
Автор(ы): | Качурин Николай Михайлович (RU), Рябов Геннадий Гаврилович (RU), Горохов Сергей Владимирович (RU), Мишунина Галина Евгеньевна (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-11-02 публикация патента:
20.03.2011 |
Изобретение относится к составам керамических масс для изготовления стеновых строительных изделий преимущественно из кирпича. Техническим результатом изобретения является повышение средней плотности и прочности изделий. Состав массы для стеновой керамики включает глину полукислую с содержанием Аl2 О3 более 20 мас.%, в том числе и пиритизированную, содержащую сульфатные и сульфитные примеси (более 2% в пересчете на ион SO3 -2), полуводный гипс -CaSO4·0,5H2O, вспученный вермикулит фракции 0-1,25 мм, жидкое силикатное стекло плотностью 1,3 г/см 3 и кислый суглинок, при следующем соотношении компонентов, мас.%: кислый суглинок - 18-50; указанная глина - 28-42; полуводный гипс - 20,5-37; вспученный вермикулит - 1,5-3; жидкое силикатное стекло, сверх 100 % сухой смеси - 0,2-0,5. 3 табл.
Формула изобретения
Состав массы для стеновой керамики, включающий глину, полуводный гипс -CaSO4·0,5H2O, вспученный минеральный порошок и воздухововлекающую добавку, отличающийся тем, что используют полукислую глину с содержанием Аl2О3 более 20 мас.%, в том числе и пиритизированную, содержащую сульфатных и сульфитных примесей (более 2% в пересчете на ион SO3 -2), в качестве вспученного минерального порошка используют вспученный вермикулит фракции 0-1,25 мм, а в качестве воздухововлекающей добавки используют жидкое силикатное стекло плотностью 1,3 г/см3, и дополнительно содержит кислый суглинок, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кислый суглинок | 18-50 |
указанная глина | 28-42 |
полуводный гипс | 20,5-37 |
вспученный вермикулит | 1,5-3 |
жидкое силикатное стекло, сверх 100 % сухой смеси | 0,2-0,5 |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к составам керамических масс для изготовления стеновых строительных изделий преимущественно эффективного и условно-эффективного кирпича и пористо-пустотелых камней, и может быть использовано в промышленности строительных материалов.
Известен состав пористой керамики для теплоизоляции стен, преимущественно тепловых агрегатов, включающий мас.%:
вспученный вермикулит | 40-50; |
глина высокопластичная | 50-60. |
(см. К.Э.Горяйнов, К.Н.Дубенецкий, С.Г.Васильков и др. Технология тепло-изоляционных материалов и легких бетонов. - М.: Изд-во литературы по строительству - 1966, с.212, пункт «а».).
Достоинства керамических изделий, изготовленных на основе известного состава массы:
- простая технология формования полуфабрикатов - заливочный метод с кратковременным вибрированием;
- изделия применяются для теплоизоляции поверхности тепловых агрегатов с температурой до 1000°С;
- содержит всего два компонента.
Наряду с достоинствами состава керамической массы имеются и недостатки:
- низкая плотность и прочность изделия (средняя плотность 300 кг/м3, предел прочности при изгибе 1,8-2 кгс/см 2 (0,18-0,2 МПа)), что лимитирует применение изделий для самонесущих конструкций стен жилых и промышленных зданий, в том числе для стен тепловых агрегатов.
Известен и второй состав керамической массы для стеновой керамики, приведенный в патенте РФ № 2270178, МПК7 С04В 33/00, опубл. 20.02.2006. Известный состав включает, мас.%:
глинистое легкоплавкое сырье (суглинок + | |
полукислая пиритизированная глина) | 83-85; |
- термообработанные: | |
1) углесодеращая тугоплавкая глина | 8,5-10; |
2) низкокальциевая буроугольная зола | 2,0-5; |
стеклобой (молотый) | 0,9-1,5; |
вспученный мелкодисперсный | |
вермикулитовый отощитель | |
фракции 0-1,25 мм | 1,5-2; |
отход производства мела, содержащий | |
гидратированную известь 48-49 мас.% | 0,1-0,5. |
На основе известного состава керамической массы получают стеновой кирпич, повышенной плотности (более 1400 кг/м3) и достаточно высокой прочности марки не менее M100.
Наряду с достоинствами известного состава массы имеются следующие недостатки.
1. Невозможно получить из состава известной массы пористую керамику, например условно-эффективную со средней плотностью не более 1400 кг/м3, так как поризующие газы предварительно удалены термообработкой.
2. Тепло- и механоэнергоемкий процесс приготовления массы, связанный с предварительной термообработкой и последующим дроблением термообработанных компонентов, а также формованием полуфабрикатов полусухим или экструзионными способами формования.
3. Высокая средняя плотность полнотелых изделий (более 1400 кг/м3 ).
Наиболее близкий состав керамической массы для изготовления пористой керамики, обладающей высокими теплоизоляционными свойствами, приведен в книге (И.И.Мороз. Технология строительной керамики. - Киев: - 1980, с.348). Известный состав включает компоненты при следующем соотношении, мас.%:
перлитовый вспученный песок | 45; |
глина | 45; |
гипс полуводный | 10; |
воздухововлекающая добавка «ПО-6» | 7 (сверх 100% сухой смеси); |
Наряду с большими достоинствами (низкая средняя плотность 200 кг/м3 - 300 кг/м3, соответственно низкая теплопроводность - 0,06 Вт/м°С, простая технология формования (заливка в формы), имеются следующие недостатки.
1. Низкая прочность готовых изделий: при изгибе 0,2-0,5 МПа, при сжатии 0,5-1 МПа (см. Ю.П.Горлов. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. - М: Высш. шк. - 1989, с.195, табл.9.2.), что лимитирует их применение в качестве эффективного, условно-эффективного и пористо-полнотелых камней с маркой соответственно M100 и для камней не ниже М 35 (ГОСТ 530-2007).
2. Низкая прочность полуфабрикатов (при сжатии 0,1 МПа), формируемых заливкой в формы, что усложняет процесс распалубливания форм и сушку, так как сушка полуфабрикатов осуществляется на поддонах изделий (см. способ изготовления в прототипе).
3. Низкий архитектурный вид - так как цвет черепка красный с наличием высолов, вследствие большого количества вводимой добавки «ПО-6» и недостающего количества полуводного гипса. Последний, как известно, выполняет не только роль поризатора, стабилизатора шликера, но и отбеливателя, переводящего красножгущийся черепок в светложгущийся.
Задача изобретения - повысить среднюю плотность и прочность до параметров эффективной и условно-эффективной керамики (класс 1,2; 1,4), а также архитектурную выразительность за счет получения светлых тонов черепка (светло-кремового, кремового) без высолов.
Для реализации задачи, в составе массы для стеновой керамики, включающей глину, гипс -CaSO4·0.5H2O, вспученный минеральный порошок и воздухововлекающую добавку, дополнительно вводят кислый суглинок, глину берут полукислую с содержанием Al2 O3 не менее 20 мас.%, в том числе и пиритизированную, содержащую сульфатные и сульфитные примеси (более 2% в пересчете на ион SO3 -2), а в качестве вспученного минерального порошка взят вермикулитовый песок фракции 0-1,25 мм, в качестве воздухововлекающей добавки вводят жидкое силикатное стекло плотностью 1300 кг/м 3, при следующем соотношении всех компонентов, мас.%:
- суглинок | 18-50; |
полукислая указанная глина, в том | |
числе и некондиционная | |
пиритизированная | 28-42; |
полуводный гипс | 20,5-37; |
вермикулит вспученный фр. 0-1,25 мм | 1,5-3; |
жидкое силикатное стекло плотностью | |
1,3 г/см сверх 100% сухой смеси | 0,2-0,5 |
Характеристика компонентов массы
1. Суглинок кислый Обидимского месторождения (Тульской области):
- умеренно-пластичный (число пластичности 11,8-12,9);
- неспекающееся, легкоплавкое глинистое сырье;
- прочность черепка из суглинка, с температурой обжига 1000°С 15-17 МПа, красножгущийся.
Химический состав, мас.%: SiO2 - 71,16-72,43; Al2O3+TiO2 - 10,08-12,15; Fe 2O3 - 4,91-5,83; CaO - 1,86-2,40; MgO - 0,71-1,4; SO3 - 0,01-0,04; П.П.П - 7,74-9,28.
2. Полукислая легкоплавкая глина пиритизированная. (Кукуевского месторождения Тульской области)
Таблица 1 | ||
Химический состав глинистого пиритизированного сырья | ||
Химический состав (оксиды) | Требования ОСТ 21-78-88 по химсоставу, % | Глина Кукуевская пиритизированная, % |
- Al2O3 | >7 | 22.45 |
- Fe2 O3+FeO | <14 | 5.3 |
- CaO+MgO | <20 | 3.39 |
- сульфат- и сульфид- содержащие примеси в пересчете на ион SO3 -2 | <2 | 3.19 |
- Na2 O+K2O | <7 | 2.26 |
- SiO2 | <85 | 53.7 |
- потери при прокаливании | остальное |
Как видно из химсостава, глина Кукуевского месторождения не соответствует ОСТ 21-78-88 по содержанию сульфат- и сульфитсодержащих примесей (>2% в пересчете на ион SO3 -2), т.е. для стеновой керамики являются некондиционной. Содержит >20% Al2O3, является среднепластичной. Огнеупорность 1280-1290°С, т.е. является легкоплавкой. Пирита в пересчете на ион SO3 -2 содержит (>2%), следовательно, является пиритизированной. Керамический черепок, обожженный при температуре 1000°С имеет прочность 42 МПа, в то время как у принятых суглинков прочность черепка составляет 15-17 МПа. Поэтому, такую глину добавляют к суглинкам для повышения прочности керамики.
Взамен пиритизированной глины может быть принята керамзитовая глина, содержащая не менее 20% Al2O 3.
3. Бентонитовая полукислая глина. Высокопластичная (число пластичности 32-35), легкоплавкая. Химический состав включает мас.%: SiO2 - 54; Al2O3 - 17,5 (полукислая); TiO2 - 0.6: Fe2O3 - 6,9; СаО - 2,6; MgO - 2,7; K2O - 2.7; SO3 - 0,9; П.П.П - остальное.
Такая глина, вследствие высокой пластичности и низкого содержания сернистых соединений рекомендуется для теплоизоляционных изделий, т.е. предназначена для массы прототипа.
4. Полукислая тугоплавкая глина Лукошинского месторождения. Отвечает требованиям ТУ РСФСР-434-84. Число пластичности 15-20. Огнеупорность 1430-1570°С. Химический состав, мас.%: SiO2 - 61-63; Al2O3 - 20-27; Fe2O3 - 2-3; СаО - 1,5-1,7; MgO - 0,5-0,7; Na2O +KL2O - 2,1-2,5; П.П.П - 7-8%.
5. Строительный полуводный гипс - -CaSO4·0.5H2O, выпускается в городе Новомосковск Тульской области.
Основные свойства:
Марка Г4. Насыпная плотность 650 кг/м 3. Нормальная густота 49-50%. Начало схватывания 6 мин, конец схватывания 12 мин. Прочность при сжатии 4,2 МПа, а в сухом состоянии 11-12 МПа.
Химический состав включает, мас.%: -CaSO4·0.5H2O - 89,1; CaCO 3 - 9,1; SiO2 - 1-8.
6. Жидкое стекло (натриевое).
Химический состав включает, мас.%: SiO2 - 30,0; Al2O3 - 0,06; Fe2O3 - 0,01; СаО - 0,02; SO 3 - 0,15; Na2O - 12; П.П.П - остальное.
Принято жидкое стекло с плотностью 1300 кг/м.
7. Вспученный вермикулит. Приняты частицы фракции 0-1,25 мм.
Химический состав включает: (K2O)Al 2O3·SiO6(MgO)6·O 20(OH)4. Насыпная плотность 180-200 кг/м 3. Отвечает требованиям ГОСТ 12865-67 «Вермикулит вспученный».
8. Вспученный перлитовый песок - принят по свойствам, идентичным вермикулитовому песку, т.е. фракции 0-1,25. Насыпная плотность 200 кг/м3 (для прототипа).
Таблица 2 | ||||||||
Составы керамических масс | ||||||||
Компоненты масс | Номера и составы масс, мас.% | |||||||
1* | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
1. Суглинок кислый | 50 | 50 | 45 | 32 | 30 | 18 | 15 | - |
2. Полукислые глины, содержащие не менее 20% Al2O3 | ||||||||
2.1. Пиритизированная Кукуевская глина | - | 28 | - | 31 | - | 42 | 44 | - |
2.2. Полукислая тугоплавкая глина Лукошинского месторождения | - | - | 18 | - | 31 | - | - | - |
3. Бентонитовая высокопластичная (Al2O3 - 17,5%) | 28 | - | - | - | - | - | 45 | |
4. Полуводный гипс -CaSO4·0.5H2O | 20,5 | 20,5 | 35,25 | 35 | 36,5 | 37 | 38 | 10 |
5. Вспученный вермикулитовый отощитель фр. 0-1,25 мм | 1,5 | 1,5 | 1,75 | 2 | 2,5 | 3 | 3,0 | - |
6. Вспученный перлитовый песок фр. 0-1,25 мм | - | - | - | - | - | - | - | 45 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
7. Воздухововлекающая добавка сверх 100% сухой смеси | ||||||||
7.1. Жидкое стекло с плотностью 1300 кг/м3 (сверх 100%) | 0,5 | 0,5 | 0,45 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 0,1 | - |
7.2. ПО-6 (сверх 100%) | - | - | - | - | - | - | - | 7 |
Примечание: * составы № 1 и № 2 запредельные. |
Опыты по реализации задачи
Опыт 1. Дозировали по массе 560 г (28%) (состав № 2, таблица 2) пиритизированной некондиционной сухой глины, которую распустили в воде, взятой в количестве 1120 г (В/Т=2). Полученный шликер пропустили через сито 400 отв./см2 , чтобы отделить на сетке частицы пирита Fe2S фракции более 0,3 мм (см. статью Л.С.Опалейчук, Ю.В.Иванов «Применение пиритизированной глины Артемовского месторождения для производства плиток для полов». - М: Реферативная информация ВНИИЭСМ. Керамическая промышленность. Выпуск № 1. - 1979. - с.14-16), а также осуществляли отделение частиц пирита при помощи переносного электромагнита.
В шликер добавили суглинки, пропущенные через зазор вальцев 1,0 мм (чтобы исключить карбонатные включения и предотвратить дефект дутик). Шликер из двух глин смешивали в течение двух минут, в процессе перемешивания в течение 1,5 мин добавляли смесь полуводного гипса 410 г (20,5%) с вермикулитом 30 г (1,5%), а также 10 г (0,5%) (сверх 100% сухой смеси) жидкого стекла плотностью 1,3 г/см3. Полученный шликер в состоянии густой сметаны с водотвердым отношением В/Т=0,56 заливали в формы размером 16×4×4 см с кратковременным вибрированием (10-15 сек.) чтобы выровнять поверхность и заполнить углы формы. Через 15 минут формы распалубливали и (без поддонов) сушили при температуре 150-180°С в течение 10 ч, а затем обжигали в заводской кольцевой печи совместно с керамическим кирпичом при температуре tmax=1000°С.
Через сутки, образцы керамики, изготовленные из состава смеси № 2 (таблица 2) испытали на показание средней плотности, прочности и водопоглащения. Цвет керамики воспринимали визуально.
Аналогичным способом изготавливали все образцы керамики из смесей № 1; 3; 4; 5; 6; 7, в том числе и образцы из состава массы прототипа № 8. Результаты испытания приведены в таблице 3.
Таблица 3 | |||||||||
Свойства образцов керамики | |||||||||
Свойства | Ед-цы изм-ния | Номер масс, соответствующих керамических образцов и параметры свойств | |||||||
1* | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | Прототип 8 | ||
Средняя плотность | кг/м3 | 1450 | 1400 | 1348 | 1200 | 1250 | 1190 | - | 298 |
Прочность при | |||||||||
- изгибе | МПа | 4,2 | 5,6 | 4,82 | 3,6 | 2,8 | 1,9 | - | 0,3 |
- сжатии | МПа | 12,3 | 15,1 | 14,2 | 12,1 | 12,8 | 10,4 | Разрушились | 0,75 |
Цвет | красн. | крем. | крем. | светл.-крем | светл.-крем | светл.-крем | - | красный | |
Наличие высолов | есть | нет | нет | нет | нет | нет | нет | есть | |
Примечание: * составы № 1 и № 7 запредельные, так как у состава массы № 1 средняя плотность образцов превышает плотность условно-эффективной керамики (более 1,4 г/см3), а прочность меньше, чем у образцов состава № 2 из аналогичной по количественному составу компонентов, но с применением полукислой бентонитовой глины, содержащей Al 2O3 менее 20% на поверхности красного цвета появляются высолы. |
Образцы керамики из состава № 7 разрушились от повышенного содержания пиритизированной глины (44 мас.% и усиленного газовыделения за счет превышения нормы полуводного гипса (более 42%)).
Анализ и выводы результатов испытания свойств образцов керамики приведены в таблице 3.
1. Плотность пористой керамики превышает плотность известной в 3,9-4,6 раз.
2. Прочность при сжатии - в 20 раз.
3. Изделия обладают повышенным архитектурным видом, так как не имеют высолов на светлом тоне поверхности (кремовый, светло-кремовый).
4. Образцы керамики из массы № 2; 3; 5 соответствуют классу 1,4 в соответствии с ГОСТ 530-2007 и относятся к условно-эффективной керамике, причем пористо-полнотелой, а образцы из массы № 4 и № 6 к эффективной (класс по средней плотности 1,2), то есть средняя плотность не более 1200 кг/м3.
Таким образом, поставленная задача получения массы для условно-эффективного полнотелого керамического кирпича (класса 1,4) с плотностью не выше 1400 кг/м3, эффективной класса 1,2 с повышенной архитектурной выразительностью, маркой по прочности не ниже M100 для кирпича и не менее М35 для камней полнотелых достигнута. Физико-химическая сущность достижения поставленной цели состоит в следующем.
1. В составе массы (до обжига) роль связующего выполняет полуводный гипс, а все остальные компоненты - роль наполнителя, причем каждый из них выполняет определенную функцию в процессе сушки и обжига.
2. В процессе обжига, наоборот, роль связки выполняла глинистая составляющая, а полуводный гипс выполняет ряд следующих функций.
2.1. Роль поризатора, причем более эффективного, чем карбонатосодержащие добавки, так как молекулярная масса газов CO2=60, а газов SO2=80, то есть на одном и том же пути выхода этих газов из массы обжигаемой керамики согласно второму закону Ньютона F=ma, усилие газов SO2 выше, чем у газа СО 2. Кроме того, для выхода газов SO2 создаются свободные каналы за счет предварительного выделения химически связанной воды:
2.2. Роль плавня, за счет образования СаО и соответственно образования стеклофазы CaSiO3 , при t=1000°C может образовываться полевой шпат - анортит CaO·Al2O3·SiO2, имеющий кристаллическую структуру. Таким образом, полуводный гипс с одной стороны снижает среднюю плотность поризацией, а с другой стороны - повышает прочность.
2.3. Роль отбеливателя, переводящего красножгущиеся глины в стветложгущиеся, следовательно, исключается видимость высолообразований на кремовой и светло-кремовой поверхности стеновой керамики.
Повышенное количество полуводного гипса в составе массы в 2-3 раза больше, по сравнению с составом прототипа, способствует:
3.1. увеличению прочности, сформованного заливочным способом полуфабриката, что дает возможность сушить сырец-кирпич без поддонов, причем в состоянии типа усадки;
3.2. повышению трещиностойкости при сушке, так как исключается внутреннее напряжение за счет компенсации усадки глинистой составляющей расширением гипсовой составляющей при твердении;
3.3. сокращается срок конца схватывания массы в формах и соответственно увеличивается частота оборачиваемости форм для очередной заливки шликерной массой;
4. Вспученный вермикулит в состоянии пылевидной фракции (менее 1,25 мм) выполняет роль отощающей добавки в процессе сушки, а также способствует повышению архитектурной выразительности, морозостойкости, жаросткойкости и снижению средней плотности.
5. Растворимое стекло выполняет роль воздухововлекающей составляющей, электролита и щелочесодержащего плавня, повышающего прочность.
Экономическая целесообразность в сравнении с составом массы прототипа.
1. Сокращается расход дорогостоящего наполнителя (отощителя) - вспученного вермикулита в 15 раз, причем с предусмотрением утилизации пылевидной фракции (менее 0,16 мм) из электрофильтров. Данное сокращение позволяет компенсировать больший расход в заявленном составе полуводного гипса (в прототипе 10 мас.%, в заявленном составе 20,5-37 мас.%, что в 2-3,7 раз больше).
2. Предоставляется возможность увеличения производительности сушилок, за счет исключения поддонов, и возможность сушки в состоянии штабели и также уменьшаются затраты тепла на испарение воды.
3. Обжигать изделия можно совместно с керамическим кирпичом, полученным традиционным способом формования.
4. Предоставляется возможность использования (утилизации) пиритизированных глин и пылевидной фракции вермикулита.
5. Расширяется область применения керамических изделий в строительстве, вследствие обладания керамикой самонесущей способности в ограждающих конструкциях.
6. Вследствие отделения ситовым способом и переносным электромагнитом пирита из шликера пиритизированной глины улучшается экологическая обстановка в цехе обжига и окружающей среде (за пределами цеха), так как предотвращается выделение газа SO2 в цех и атмосферу.
7. Удержанный пирит предусмотрено реализовать в производстве серной кислоты и тем самым направить на вторичное использование.
6. На основании преимуществ, указанных в п.1-7, себестоимость керамических стеновых изделий уменьшается на 20-25% по отношению к прототипу.
Класс C04B38/08 полученные добавлением пористых веществ
способ приготовления керамзитобетона - патент 2528794 (20.09.2014) | |
состав керамзитобетонной смеси - патент 2527974 (10.09.2014) | |
способ полусухого прессования гипса - патент 2525412 (10.08.2014) | |
сырьевая смесь для изготовления пенобетона - патент 2524715 (10.08.2014) | |
сырьевая смесь для изготовления теплоизоляционных изделий - патент 2522563 (20.07.2014) | |
сырьевая смесь для изготовления пенобетона - патент 2521685 (10.07.2014) | |
этинолеперлитобетон - патент 2519249 (10.06.2014) | |
гипсоперлит - патент 2519146 (10.06.2014) | |
способ изготовления вспененных строительных материалов - патент 2517133 (27.05.2014) | |
теплоизоляционно-конструкционный полистиролбетон - патент 2515664 (20.05.2014) |