Ст енов ые материалы на основе суглинков и остеклованных микросфер
На правах рукописи
Купряхин Андрей Николаевич
Стеновые материалы на основе суглинков и остеклованных микросфер
05.23.05 – Строительные материалы и изделия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск – 2005
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете.
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Скрипникова Нелли Карповна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Верещагин Владимир Иванович
доктор технических наук, профессор
Завадский Владимир Федорович
Ведущая организация - ЗАО «Томский завод керамических материалов и изделий»
Защита состоится «26» декабря 2005 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 Томского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Автореферат разослан «24» ноября 2005 г.
Исполняющий обязанности ученого секретаря
диссертационного совета Ефименко В.Н.
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Ресурсы традиционного керамического сырья истощаются, глин и суглинков, которые можно использовать без корректировки состава в производстве керамических стеновых материалов, становится все меньше. Параллельно со снижением запасов высококачественного глинистого сырья растет потребность в повышении качества выпускаемой продукции.
Разработка и внедрение новых эффективных стеновых материалов, обладающих высокими физико-механическими и теплофизическими характеристиками в сочетании с техногенными отходами, является актуальной задачей современного материаловедения. Использование для их производства золошлаковых отходов энергетических предприятий позволяет решить проблему утилизации.
Наличие в золах остеклованных микросфер, обладающих рядом ценных свойств, обуславливает их применение в производстве стеновых материалов.
Комплексное использование глинистого сырья Сибирского региона в композиции с остеклованными микросферами позволит получить обжиговые стеновые материалы с высокими физико-механическими характеристиками и низким коэффициентом теплопроводности.
Работа выполнялась в рамках тематических планов по заданию Рособразования РФ по теме № 2.2.02 «Создание строительных композиционных материалов на основе местного сырья и нетрадиционных технологий».
Объект исследований - стеновые материалы на основе суглинков различного минерального состава и остеклованных микросфер.
Предмет исследований – процессы фазообразования, происходящие при обжиге материалов на основе суглинков и остеклованных микросфер.
Цель диссертационной работы заключается в разработке составов для получения обжиговых стеновых материалов на основе глинистого сырья различного минерального состава и остеклованных микросфер путем обоснования и обеспечения условий структурообразования и получение эффективных стеновых материалов.
Задачи исследований Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1 Исследование составов и свойств глинистого сырья Сибирского региона и оценка его пригодности для получения эффективных стеновых материалов в композиции с остеклованными микросферами;
2 Исследование физико-химических процессов формирования фазового состава и структуры керамических материалов;
3 Разработка составов и технологических параметров для производства эффективных стеновых материалов на основе сырья Сибирского региона и остеклованных микросфер;
4 Проведение опытно-промышленных испытаний и разработка технологического регламента на производство стеновых материалов.
Научная новизна работы
1 Установлено, что при использовании суглинков с числом пластичности 8-9 независимо от минерального состава возможно получение материалов по технологии полусухого прессования с плотностью 1100-1400 кг/м3 и прочностью при сжатии 15-20 МПа. При этом количество остеклованных микросфер в шихте может быть доведено до 50%. Суглинки с числом пластичности 12-13 могут быть использованы для получения стеновых материалов методом пластического формования с добавлением микросферы до 20 %.
2 Установлено, что введение до 20% остеклованных микросфер в состав шихты приводит к снижению чувствительности при сушке, устраняет дефекты на стадиях сушки и обжига и обеспечивает получение материалов при пластическом способе формования изделий с плотностью 1300-1500 кг/м3.
3 Образование муллитоподобных и анортитоподобных фаз приводит к увеличению прочности при изгибе композиционных материалов при полусухом прессовании на 20±5% при пластичности
суглинков 12-13 и количестве остеклованных микросфер в шихте до 20%.
Практическая значимость работы
1 Разработаны составы смесей и рекомендованы к практическому использованию на предприятиях по производству керамических строительных изделий, для получения обжиговых стеновых материалов по полусухому способу формования с плотностью 1100-1400 кг/м3 и прочностью при сжатии 15-20 МПа.
2 Выпущены опытные партии керамического кирпича полусухим способом формования на основе Егозовских и Беловских суглинков на ООО «Кирпичный завод Абашевский» г. Новокузнецка.
3. Разработан и составлен технологический регламент на производство керамического кирпича из суглинистого сырья Сибирского региона и остеклованных микросфер полусухим способом формования для ОАО «Белон» на строительство завода производительностью 50 млн. штук условного кирпича в год.
Реализация результатов исследований
Выпущена опытно-промышленная партия стеновых керамических материалов на кирпичном заводе г. Ленинск-Кузнецкий по технологии полусухого прессования. Получены стеновые материалы со средней плотностью 800-1300 кг/м3 и маркой по прочности при сжатии 75-150.
На защиту выносятся
-процессы структурообразования и свойства композиций на основе суглинков различного минерального состава и остеклованных микросфер;
-экспериментальные данные по составам и технологическим режимам получения обжиговых стеновых материалов на основе суглинков Сибирского региона и остеклованных микросфер;
-результаты исследований физико-механических и теплофизических характеристик полученных строительных материалов и рекомендации по их применению.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели эксперимента и постановке соответствующих задач, непосредственном участии при проведении исследований, обработке результатов и выводов по работе.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Пенза, 2001 г.); второй научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Бийск, 2002 г.); второй Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (г Томск, 2002 г.).
Публикации Основное содержание работы изложено в пяти публикациях. Получен приоритет по заявке № 2005132701/03 (036631) от 10 ноября 2005 г.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 41 рисунок, 27 таблиц.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность исследований, поставлена цель работы, определены задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
Первая глава носит обзорный характер. В ней дан анализ современного состояния вопроса о проблеме производства эффективных керамических стеновых и теплоизоляционных материалов с использованием золошлаковых отходов в композиции с глинистым сырьем. Делается вывод, что полученные материалы не уступают по своим характеристикам изделиям, полученным с использованием традиционного сырья. В то же время введение новых требований к теплоизоляции зданий и сооружений требует создания новых стено вых материалов с повышенными теплофизическими свойствами. Для получения эффективных стеновых материалов могут быть использованы остеклованные микросферы в композиции с глинистым сырьем.
Во второй главе приведены характеристики сырьевых материалов, используемых в работе и описание методов их исследований.
В разделе приведены результаты определения химического и минералогического состава и технологических свойств глинистого сырья следующих месторождений Западной Сибири: Егозовское, Беловское (Кемеровская область); Верхний Коен (Новосибирская область); Родионовское (Томская область).
Исследованные глинистые породы представлены средними и тяжелыми пылеватыми суглинками.
Это низкодисперсное, умереннопластичное сырье (число пластичности 8-12), среднечувствительное к сушке (Кч>1). По химическому составу суглинки незначительно отличаются между собой и относятся к кислому сырью (Al2O3 – 12,7-14,1%) с высоким содержанием красящих оксидов (Fe2O3 - 3,3-5,5%). Суглинки относятся к легкоплавкому, неспекающемуся сырью.
Таблица 1
Химический состав глинистого сырья
| Наименование сырья | Содержание оксидов, мас.% | |||||||
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | R2O | TiO2 | п.п.п. | |
| Суглинки Беловские | 58,80 | 13,77 | 5,56 | 9,10 | 0,50 | 1,09 | - | 11,18 |
| Суглинки Егозовские | 66,44 | 12,75 | 4,36 | 6,25 | 1,4 | 1,88 | - | 6,92 |
| Суглинки Верхнекоенские | 65,2 | 12,9 | 4,9 | 4,3 | 2,9 | 4,1 | 0,8 | 4,9 |
| Суглинки Родионовские | 66,0 | 14,17 | 3,33 | 5,2 | 2,08 | 2,67 | 0,63 | 7,26 |
Рентгенофазовый анализ показал, что глинистая фракция суглинков Егозовского и Беловского месторождений Кемеровской области в основном представлена каолинитами и гидрослюдами. В качестве примеси присутствует кварц. Породообразующими минералами в глинистом сырье Верхнекоенского месторождения Новосибирской области являются монтмориллонит и гидрослюды. Суглинки Родионовского месторождения характеризуются монтмориллонит-каолинитовым составом. В качестве примесей в породах присутствуют кварц, карбонаты и полевые шпаты.
Таблица 2
Гранулометрический состав глинистого сырья
| Наименование | Содержание, % частиц размером в мм | ||||||
| 1-0,25 | 0,25-0,06 | 0,06-0,01 | 0,01-0,005 | 0,005-0,001 | <0,001 | сумма | |
| Суглинки Егозовские | 8,61 | 17,80 | 34,96 | 6,42 | 9,55 | 22,66 | 100 |
| Суглинки Беловские | 0,62 | 5,37 | 42,89 | 10,22 | 17,74 | 23,16 | 100 |
| Суглинки Верхнекоенские | 1,58 | 7,0 | 53,82 | 9,2 | 1,80 | 27,60 | 100 |
| Суглинки Родионовские | 2,89 | 6,75 | 49,84 | 7,78 | 9,3 | 23,44 | 100 |
В качестве добавки для получения стеновых материалов использовалась остеклованная микросфера. Химический состав микросферы представлен в табл.3.
Таблица 3
Химический состав остеклованной микросферы
| Наименование | Содержание оксидов, мас.% | ||||||
| SiO2 | Al2O3 | FeO | CaO | MgO | R2O | сумма | |
| Остеклованная микросфера | 62,80 | 24,40 | 5,04 | 4,60 | 1,82 | 1,34 | 100 |
Из данных, представленных в табл. 3 следует, что остеклованная микросфера является силикатсодержащим сырьем, близким по составу к глинам. Наличие значительного количества оксида алюминия, плавней и оксидов железа способствует образованию как жидкой, так и кристаллических (муллита, фаялита и др.) фаз, повышающих прочность изделия. Присутствие остаточного углерода и плавней снижает температуру образования жидкой фазы и позволяет экономить техническое топливо.
Исследование минерального состава остеклованной микросферы показало, что она на 91 % состоит из аморфного стекла алюмосиликатного состава и на 9 % из кристаллических веществ. Кристаллическая фаза представлена кварцем (84-85%), муллитом и гематитом (15-16%).
Остеклованная микросфера представляет собой сыпучее вещество с низкой насыпной плотностью различной дисперсности (табл. 4).
Таблица 4
Характеристика гранулометрического состава микросфер
| Образец | Содержание фракций, мас.% | ||||||
| 200 – 100 мкм | 100 – 50 мкм | 50 – 25 мкм | 25 – 13 мкм | 13 – 6 мкм | 6 – 3 мкм | < 3 мкм | |
| Микросфера | 10 | 21 | 33 | 6 | 10 | 10 | 12 |
Наличие в золе гидроудаления остеклованных микросфер с преимущественным размером от 25 мкм до 100 мкм в количествах до 20% и возможность отделения микросфер определяют целесообразность использования их в качестве добавок для получения эффективных стеновых керамических материалов.
Третья глава посвящена разработке составов и исследованию физико-химических процессов при получении материалов на основе
суглинистого сырья Западной Сибири с добавлением остеклованных микросфер.
В разделе представлены результаты исследований влияния остеклованных микросфер на технологические и физико-механические свойства керамических изделий.
Исследования включали в себя от 5 до 10 основных составов, в которых были использованы суглинистое сырье различных месторождений. Доля остеклованных микросфер в этих составах менялась до 90%.
Данная вариация проводилось с целью выяснения физико-химических процессов, происходящих при спекании глинистого сырья и остеклованных микросфер и определения физико-механических и теплофизических показателей готовых композиционных материалов.
Формование изделий проводилось двумя способами - полусухим методом и жесткой экструзией. При полусухом методе прессование проводили при давлении формования 15-25 МПа. Данный режим выбран с учетом традиционных способов получения кирпича при полусухом способе формования. При формовании жесткой экструзией - удельное давление 14 кгс/см2, влажность шихты 17%.
После обжига остеклованных микросфер с глинистым вяжущим Беловского месторождения наблюдается значительное снижение усадки (рис. 1) и водопоглощения (рис. 2) по сравнению с образцами, изготовленными только из глины. Изменения, происходящие в процессе обжига, связаны с уменьшением размера и формы пор. При этом в процессе обжига поры становятся сферичными по форме, усадка равна уменьшению размера пор.
 | Рис. 1 Изменение усадки образцов из Беловских суглинков в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 950 0С при давлении формования 20-25 МПа; 2 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20-25 МПа; 3 – температура обжига 1050 0С при давлении формования 20-25 МПа. |
Снижение усадки на 45-65% вызвано понижением пластичности шихты вследствие ввода остеклованных микросфер в исходный состав, так как микросферы по существу являются отощителем глиняной массы.
Из данных, представленных на рис. 2 следует, что снижение водопоглощения на 8-12% при добавлении 20% остеклованных микросфер происходит вследствие образования закрытых пор, образованных микросферами, заключенными в глинистую матрицу. Дальнейшее повышение водопоглощения связано с недостаточностью глинистых минералов в шихте для образования стекловидного расплава, цементирующего алюмосиликатный каркас керамического материала.
Рис. 2 Изменение водопоглощения образцов из Беловских суглинков в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 950 0С при давлении формования 20 МПа; 2 – температура обжига 950 0С при давлении формования 25 МПа; 3 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа; 4 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 25 МПа; 5 – температура обжига 1050 0С при давлении формования 20 МПа; 6 – температура обжига 1050 0С при давлении формования 25 МПа.
Плотность образцов, изготовленных из смеси суглинков Беловского месторождения и остеклованных микросфер находится в пределах 1189-1525 кг/м3, что также ниже по сравнению с образцами, изготовленными только из глины (1850-1900 кг/м3).
Исследования показывают, что добавление 20% остеклованных микросфер при всех технологических режимах (изменение давления формования и температуры обжига) приводит к увеличению прочности при изгибе (рис. 3). При снижении средней плотности, прочность при сжатии (рис. 4) находится в пределах 21,4-37 МПа, что является достаточным для получения керамических материалов с высокими физико-механическими характеристиками.
Рис. 3 Изменение прочности при изгибе образцов из Беловских суглинков в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 950 0С при давлении формования 20 МПа; 2 – температура обжига 950 0С при давлении формования 25 МПа; 3 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа; 4 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 25 МПа; 5 – температура обжига 1050 0С при давлении формования 20 МПа; 6 – температура обжига 1050 0С при давлении формования 25 МПа.
Рис. 4 Изменение прочности при сжатии образцов из Беловских суглинков в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 950 0С при давлении формования 20 МПа; 2 – температура обжига 950 0С при давлении формования 25 МПа; 3 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа; 4 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 25 МПа; 5 – температура обжига 1050 0С при давлении формования 20 МПа; 6 – температура обжига 1050 0С при давлении формования 25 МПа.
Далее приводятся исследования по получению керамических материалов на основе глинистого сырья Егозовского месторождения Кемеровской области.
Были изготовлены модельные образцы из смеси Егозовских суглинков с добавлением остеклованных микросфер при различном давлении формования и температурах обжига. Проведенные исследования показали, что при использовании остеклованных микросфер в количестве до 20% в композиции с сырьем Егозовского месторождения можно отметить наибольшее снижение усадки (рис. 5).
Рис. 5 Изменение усадки (воздушной и огневой) образцов Егозовского месторождения в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – давление формования 20 МПа (воздушная); 2 – давление формования 25 МПа (воздушная); 3 – давление формования 20 МПа (воздушная); 4 – давление формования 25 МПа (воздушная); 5 – температура обжига 950 0С при давлении формования 20 МПа (огневая); 6 – температура обжига 950 0С при давлении формования 25 МПа (огневая); 7 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа (огневая); 8 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 25 МПа (огневая).
Из данных представленных на рис. 6 следует, что введение 20% микросфер при температуре обжига 950 0С приводит к снижению водопоглощения на 27% и составляет 8,2%. Увеличение температуры обжига при данном количестве остеклованных микросфер не приводит к снижению водопоглощения.
Рис. 6 Изменение водопоглощения образцов Егозовского месторождения в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 950 0С при давлении формования 20 МПа; 2 – температура обжига 950 0С при давлении формования 25 МПа; 3 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа; 4 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 25 МПа.
Полученные результаты показывают, что плотность образцов зависит только от содержания микросфер в шихте и меняется от 1920-2000 кг/м3 до 1280-1320 кг/м3.
Прочность композиционного материала при изгибе (рис. 7) после обжига при температуре 1000 0С выше на 15-20%, чем у образцов, изготовленных только из глины, и достигает максимума (9,0-9,8 МПа) при добавлении 20-30% остеклованных микросфер. После обжига при температуре 950 0С наблюдается снижение прочности при изгибе на 10%, это связано с недостаточностью данной температуры для завершения процессов образований кристаллических соединений, способствующих упрочнению композиционного материала.
Рис. 7 Изменение прочности при изгибе образцов Егозовского месторождения в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 950 0С при давлении формования 20 МПа; 2 – температура обжига 950 0С при давлении формования 25 МПа; 3 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа; 4 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 25 МПа.
Рис. 8 Изменение прочности при сжатии образцов Егозовского месторождения в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 950 0С при давлении формования 20 МПа; 2 – температура обжига 950 0С при давлении формования 25 МПа; 3 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа; 4 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 25 МПа.
При добавлении микросфер прочность при сжатии (рис. 8) при всех технологических режимах и температурах обжига (950 0С, 1000 0С) снижается и находится в пределах 20,9-42,3 МПа.
Влияние остеклованных микросфер на физико-механические свойства образцов из Верхнекоенских суглинков приведены на рис. 9-12.
Рис. 9 Изменение воздушной и огневой усадки образцов Верхнекоенского месторождения в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – давление формования 15 МПа (воздушная усадка); 2 – давление формования 20 МПа (воздушная усадка); 3 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 15 МПа (огневая усадка); 4 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа (огневая усадка).
Рис. 10 Изменение водопоглощения образцов Верхнекоенского месторождения в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 15 МПа; 2 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа.
Рис. 11 Изменение прочности при изгибе образцов Верхнекоенского месторождения в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 15 МПа; 2 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа.
Рис. 12 Изменение прочности при сжатии образцов Верхнекоенского месторождения в зависимости от количества остеклованных микросфер и технологических режимов: 1 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 15 МПа; 2 – температура обжига 1000 0С при давлении формования 20 МПа.
Наблюдаемое понижение прочности при сжатии (рис. 12) говорит о незавершенности процесса фазообразования и необходимости повышения температуры обжига до 1050 0С.
В целом, использование микросфер в композиции с суглинками Верхнекоенского месторождения позволяет прогнозировать положительное их влияние на физико-механические свойства полученного композиционного материала. Так как введение остеклованных микросфер в состав шихты до 50% позволит получить композиционный материал со средней плотностью 1120 кг/м3, прочностью при изгибе до 6,2 МПа и прочностью при сжатии более 15 МПа, что соответствует эффективным строительным материалам.
После спекания Родионовских суглинков и микросфер при температуре обжига 1000 0С можно отметить следующее:
-композиции, содержащие в своем составе до 30% остеклованных микросфер, отмечаются следующими физико-механическими характеристиками. Наблюдается снижение средней плотности изделий в среднем на 18-30% (до 1300 кг/м3), снижаетсяводопоглощение на 10-30% и увеличивается прочность при изгибе до 20%.
В качестве оценки композиций для получения стеновых керамических материалов использовались следующие физико-механические характеристики: средняя плотность, прочность при сжатии и изгибе, водопоглощение, усадка (воздушная и огневая), теплопроводность.
Анализируя физико-механические характеристики образцов на основе суглинков Беловского месторождения, следует, что образцы, изготовленные только из глины, имеют объемную массу 1880-1920 кг/м3, прочность при сжатии до 45 МПа, водопоглощение от 12,4% до 14,4%. Введение в состав глинистого сырья до 50% остеклованных микросфер приводит к снижению плотности на 35%, но при этом происходит и некоторое снижение прочности при сжатии. Таким образом, с целью сохранения физико-механических показателей и уменьшения плотности в состав глины Беловского месторождения целесообразно вводить до 40% микросфер. При данном количестве микросферы возможно получение эффективного керамического кирпича с высокими эксплуатационными показателями.
Исследование и подбор составов керамического кирпича на основе глины Егозовского месторождения Кемеровской области показали, что образцы, изготовленные из данных суглинков, обладают прочностью при сжатии до 50 МПа и плотностью более 1900 кг/м3. Введение в состав Егозовских суглинков остеклованных микросфер приводит к тому, что плотность снижается на 35%, а прочностные показатели снижаются с 42 МПа до 34 МПа. Наблюдается также снижение водопоглощения образцов, что говорит о завершении процессов структурообразования.
При использовании глинистого сырья месторождения Верхний Коен Новосибирской области было установлено, что образцы на ее основе имеют прочность при сжатии до 38 МПа, среднюю плотность 1900 кг/м3, водопоглощение 14%. Добавление до 50% микросфер приводит к снижению плотности на 40%, при этом прочность при сжатии составляет более 15 МПа. Дальнейшее увеличение остеклованных микросфер в составе композита нецелесообразно, так как происходит снижение физико-механических характеристик за счет того, что при обжиге образуется недостаточное количество свя зующего глинистого минерала для прочной связи между матрицей и заполнителем.
Образцы из Родионовских суглинков после обжига при температуре 1000 0С показали прочность при изгибе до 9 МПа, средняя плотность 2000-2300 кг/м3, водопоглощение до 16%.
Композиции, содержащие в своем составе до 30% остеклованных микросфер, отмечаются качественным улучшением физико-механических характеристик. Наблюдается снижение средней плотности на 50% (1100 кг/м3), снижается водопоглощение и увеличивается прочность при изгибе.
Для выявления процессов, происходящих при обжиге глинистого сырья и остеклованных микросфер, был проведен рентгенофазовый анализ обожженного материала из Беловских суглинков и в композиции с остеклованными микросферами.
После обжига глинистого сырья при температуре 1000 0С фазовый состав материала представлен геленитом, альбитом, кианитом, кварцем и незначительным количеством муллита, что свидетельствует о начале его кристаллизации. Обжиг глинистого сырья с остеклованными микросферами при 1000 0С приводит к увеличению количества геленита и муллита, также отмечено появление анортита.
Рис. 13 Рентгенограмма обожженной при температуре 1000 0С композиции суглинков Беловского месторождения и остеклованных микросфер в соотношении 80:20
Микроскопическое исследование шлифов нового композиционного материала показало, что структура материала в основном однородна, при этом наблюдаются поры как замкнутые, так и сообщающиеся.
Рис. 14 Структура композиционного материала после обжига при температуре 1000 0С увеличение 100
Рис. 15 Структура композиционного материала после обжига при температуре 1000 0С увеличение 2000
На микрофотографии отчетливо виден контактный слой вокруг микросферы, образованный при сплавлении глинистого вещества с остеклованными микросферами. Это свидетельствует о том, что образующийся расплав глинистых минералов омывает поверхность микросфер и частично способствует упрочнению алюмосиликатного каркаса материала.
Четвертая глава посвящена исследованию технологических параметров получения стеновых керамических материалов на основе суглинков Западной Сибири и остеклованных микросфер полусухим и пластическим способами.
При получении кирпича из оптимальных составов сырьевых масс были использованы два различных технологических способа формования изделий – пластический и полусухой. При формовании изделий были использованы технологические параметры и режимы, применяемые для получения кирпича пластическим способом формования на кирпичном заводе г. Ленинск-Кузнецкий Кемеровской области, и для кирпича полусухого прессования завода ОАО «Абашевский кирпичный завод» г. Новокузнецка. В табл. 5 приведены физико-механические характеристики стеновых материалов полученных полусухим и пластическим способами.
Таблица 5
Физико-механические свойства керамических стеновых материалов
| № пп | Компоненты | Содержание компонентов, масс. % | Прочность при сжатии, МПа | Прочность при изгибе, МПа | Средняя плотность, кг/м3 | Теплопроводность, Вт/м К |
| 2 | Суглинки Микросфера | 80 20 | 15-25 | 5-8 | 1300-1500 | 0,4-0,42 |
| 3 | Суглинки Микросфера | 60 40 | 10-15 | 2,5-5 | 1200-1300 | 0,3-0,33 |
На основе полученных опытных данных выполнена оптимизация содержания остеклованной микросферы в составе исходного сырья для производства строительных изделий по соотношению «прочность - теплопроводность» (рис. 16).
В качестве оптимизируемого критерия выбран условный коэффициент качества 
где Rи - предел прочности при изгибе, МПа; Rсж - предел прочности при сжатии, МПа; 
- коэффициент теплопроводности, Вт/м К.
Рис.16 Условный коэффициент качества в зависимости от состава керамических материалов
Из представленных данных видно, что для получения эффективных стеновых материалов содержание остеклованных микросфер в шихте должно быть 20-60 %, так как при данном количестве микросферы соотношение прочность/теплопроводность является максимально высоким.
Выводы
1 При обжиге в диапазоне 950-1050 0С полиминеральных суглинков и остеклованных микросфер образуются муллитоподобные и анортитоподобные соединения, а также гелениты. Образование данных фаз обеспечивает создание прочного алюмосиликатного каркаса керамических материалов.
2 Исследованные суглинки Сибирского региона являются сырьевым материалом для получения керамических изделий с плотностью 1900-2000 кг/м3 и прочностью при сжатии до 40 МПа.
3 Суглинки Егозовского месторождения Кемеровской области, Верхнекоенского месторождения Новосибирской области и Родионовского месторождения Томской области с числом пластичности 8-9 могут быть использованы для получения керамических материалов методом полусухого формования. Пластический метод формования позволяет получать стеновые материалы из суглинков с числом пластичности 12-13.
4 Содержание остеклованных микросфер в составе шихты для получения эффективных стеновых составов должно быть 20-30%. Для получения стеновых материалов с коэффициентом теплопроводности 0,18-0,2 Вт/мК содержание остеклованных микросфер может быть увеличено до 50%.
5 Температура обжига 1000 0С является достаточной для получения эффективных стеновых материалов, так как при этой температуре происходит образование муллитоподобных и анортитоподобных фаз, между остеклованными микросферами и минеральной частью суглинков.
6 При использовании исследованных суглинков возможно получение стеновых материалов с коэффициентом теплопроводности 0,18-0,3 Вт/мК и прочностью при сжатии от 15 до 20 МПа.
7 Выпуск и исследование опытной партии керамического кирпича на ОАО «Абашевский кирпичный завод» полусухого прессования г. Новокузнецка на основе суглинков Егозовского месторождения, показало, что стеновой материал имеет следующие характеристики: прочность при сжатии до 16 МПа, средняя плотность 1350-1400 кг/м3, водопоглощение 12%. Полученный кирпич выдержал 35 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Данные физико-механических показателей полученных керамических изделий свидетельствуют о достоверности результатов исследований диссертационной работы.
8 На основании исследований и полученных результатов разработан технологический регламент получения керамического кирпича полусухим способом формования по заказу ОАО «Белон» на строительство завода производительностью 50 млн. штук условного кирпича в год.
Основной материал диссертации изложен в следующих публикациях:
1 Купряхин А.Н. Разработка технологии получения керамической черепицы на основе зольной микросферы / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства».- Пенза: ПГАСУ, 2001 г., С. 43.
2 Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Купряхин А.Н. Эффективный теплоизоляционный материал из отходов теплоэнергетической промышленности / Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья: Доклады II Всероссийской научно-практической конференции 28-30 мая 2002 г. Бийск.-М.: ЦЭИ “Химмаш”, 2002.-С. 39-40.
3 Скрипникова Н.К., Купряхин А.Н. Физико-химические процессы, происходящие при спекании глины и зольной микросферы / Материалы II Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий»,- Томск, ТПУ, 2001 г. С. 148-150.
4 Скрипникова Н.К., Купряхин А.Н. Исследование процессов протекающих при производстве высокотемпературных теплоизоляционных материалов на основе зольной микросферы Беловской ГРЭС / Материалы II Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий»,- Томск, ТПУ, 2001 г. С. 146-147.
5 Купряхин А.Н. Получение теплоизоляционно-конструкционных материалов с добавлением техногенных отходов / Журнал Огнеупоры и техническая керамика, 2004 г., № 2, С. 20-22.
6 Заявление № 2005132701/03 (036631) о выдаче патента РФ на изобретение / Гайслер Е.В., Волокитин Г.Г., Скрипникова Н.К., Купряхин А.Н.- Приоритет от 10 ноября 2005 г.
