To the question of structure optimization for producing high-strength ceramics

Full Text

Керамический кирпич на ближайшую перспективу останется одним из основных конструкционных материалов [1]. Это – объективная реальность, обусловленная распространенностью и не дефицитностью сырья для его изготовления, простотой технологии, возможностью возведения архитектурно-выразительных построек. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что строительство только тогда будет эффективным, когда имеется широкий выбор стеновых керамических материалов по прочности и размерам.

Практически на всех предприятиях есть проблемы, связанные с качеством. Такое положение характерно не только для Самарской области, но и для других регионов. Изменение технологии строительного производства, а именно переход на многослойные конструкции, повышает требования к прочности кирпича и его стабильности. И если для возведения малоэтажных строений основным требованием будет стабильность, то для многоэтажных – марка по прочности.

Выпуск керамического кирпича повышенной прочности должен базироваться на следующих положениях:

• возможность прогнозирования качества сырья;
• обоснование оптимального фазового состава обожженного керамического кирпича;
• направленная корректировка состава исходного глинистого сырья;
• тщательная гомогенизация массы.

Полную оценку сырья можно получить по нестандартной расчетной методике определения количества и состава образующегося при обжиге расплава, зная его химический состав. Разработанная методика [2] имеет широкий уровень апробации на примере глин Самарской области, Татарии и Башкирии.

Качество обожженного керамического кирпича определяется главным образом его фазовым составом.

В обожженной керамике всегда присутствуют остатки исходных минералов. Прежде всего – это кварцевые зерна и модификации кварца. Роль модификаций кварца различна. Кварцевые зерна могут частично растворяться в расплаве. Не растворившиеся остатки выполняют роль инертных наполнителей. В результате полиморфных превращений возможно образование кристобалита и тридимита. Эти разновидности кристаллического кремнезема разрыхляют керамический черепок.

Высокоактивные аморфизированные остатки кремнезема и глинозема при недостатке щелочных оксидов приводят к муллитообразованию, а при наличии щелочных оксидов – к образованию эвтектических алюмосиликатных расплавов.

Стеклофаза представляет собой не закристаллизовавшийся расплав, образованный двойными и тройными эвтектиками. Стеклофаза играет роль связующего, склеивая между собой не растворившиеся в расплаве остатки исходных веществ и отдельные кристаллы новообразований. Известно, что наибольшей прочностью обладают стекла эвтектического состава, еще большей прочности можно достигнуть при направленной кристаллизации расплава. Стеклофаза играет вторую по важности роль в упрочнении керамического черепка [3].

Наиболее важную роль на прочность керамического кирпича оказывают кристаллические новообразования. В качестве основных соединений можно назвать муллит, шпинели (особенно магнезиальную), β-волластонит и твердые растворы. Вид новообразований определяется свойствами сырья: в кислом сырье с избытком кремнезема преобладают кварц, тридимит, кристобалит; в алюмосиликатном глинистом сырье − муллит; при избытке СаО − волластонит. Каждая фаза имеет свою форму и размер, а также влияет на общую структуру обожженного материала. У кварца, тридимита и кристобалита зерна кубической формы; муллит в основном кристаллизуется в виде длинных тонких игл; кристаллы волластонита − призматические удлиненные [4].

Учитывая вышесказанное, были разработаны существующие и прогнозируемые типы структур с целью выбора оптимальной для повышения прочности керамического кирпича [5−8].

Традиционное кирпично-черепичное сырье кислое по содержанию кремнезема, с преобладанием зерен кварца, которые при обжиге переходят в более стабильные модификации, но форма зерен не меняется. Частично кварц растворяется с поверхности в образующемся расплаве, но основная доля остается в виде включений.

Как следует из рис. 1, а, при получении кирпича по традиционной технологии (грубая переработка) структура, включающая кварц, тридимит и кристобалит, не каркасная. Единичные кристаллы муллита не способствуют упрочнению керамического кирпича. Повышение степени гомогенизации кремнеземсодержащего сырья (рис. 1, б, в) улучшает структуру за счет перевода ее на более совершенный уровень. Достаточная гомогенизация шихты и максимально плотная упаковка способствуют улучшению структуры за счет увеличения числа и укрупнения размера кристаллов муллита и большего вовлечения зерен кварца и его модификаций в расплав.

 

Рис. 1. Влияние степени гомогенизации кирпично-черепичного глинистого сырья на структуру и текстуру керамического кирпича

 

За счет описанного эффекта достигается некоторое упрочнение изделий на современных заводах при работе на традиционных составах за счет улучшения структуры при более тонкой переработке.

Проектные типы структур при преобладании определенных минералов новообразований показаны на рис. 2. Каркасный, упрочняющий тип структур характерен при направленном образовании муллита, шпинели, волластонита.

 

Рис. 2. Влияние направленной корректировки фазового состава новообразований на структуру и текстуру керамического кирпича

 

Очевидно, еще больший упрочняющий эффект даст получение материала с оптимальными соотношениями этих фаз (муллит + шпинель − рис. 2, б, муллит + волластонит − рис. 2, в, г). Оптимальная теоретическая структура керамического кирпича показана на рис. 3.

 

Рис. 3. Оптимальная структура керамического кирпича

 

Так как при обжиге керамических изделий образуется 35−50 % стеклофазы, то она играет существенную роль в упрочнении материала. Наибольший эффект упрочнения может быть достигнут при направленной каталитической кристаллизации стеклофазы (см. рис. 3).

В ходе проведенного анализа были установлены основные факторы, повышающие прочность керамического кирпича, и способы их реализации, которые отражены в таблице и рекомендуются для использования при разработке составов керамических шихт по выпуску высокопрочного кирпича.

 

Влияние фазового состава на прочность керамического кирпича

Фазовый состав кирпича	Факторы, повышающие прочность кирпича	Способы реализации
Остатки исходных минералов	Снижение количества SiO2 кр.	За счет более тонкого помола и большего вовлечения SiO2 кр. в расплав
Кристаллические новообразования	Уменьшение SiO2 кр. Увеличение содержания муллита, шпинели, волластонита и твердых растворов	Введение добавок, обеспечивающих образование этих соединений
Стеклофаза	1. Снижение температуры образования расплава	Введение добавок, обеспечивающих образование расплава при t ≈ 500 °C
	2. Получение состава наибольшей прочности	Получение расплава эвтектического состава
	3. Получение субмикрокристаллической структуры	За счет введения добавок TiO2, MeF, P2O5, ZrO2, Cr2O3, MeS, ZnO, NiO, CuO, Fe2O3 и др.

 

Повышение прочности может быть достигнуто на гомогенных шихтах за счет оптимизации структуры и фазового состава путем направленного синтеза кристаллических новообразований (муллита, шпинели, волластонита, а также твердых растворов) и каталитической кристаллизации эвтектического алюмосиликатного расплава [5].

Таким образом, в составе керамического кирпича можно выделить три группы фаз: остатки исходных минералов, кристаллические фазы новообразований и стеклофаза. Каждая из этих трех основных групп, образующихся при обжиге кирпича, может быть откорректирована так, чтобы либо максимально снизить её вредное воздействие, либо максимально использовать ее положительное воздействие на прочность.

About the authors

Natalia G. Chumachenko

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: uvarovang@mail.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
Doctor of Engineering Science, Professor, Head of the Production of Building Materials, Products and Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Vladimir V. Tyurnikov

Samara State Technical University

Email: sm-115@mail.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Production of Building Materials, Products and Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Igor V. Nedoseko

Ufa State Oil Technical University

Email: nedoseko1964@mail.ru

Doctor of Engineering Science, Professor of the Building Structures Chair

Russian Federation, 450064, Republic of Bashkortostan, Ufa, Kosmonavtov str., 1

References

Supplementary files