Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время вопросы энергосбережения и рационального природопользования являются важными для Российской экономики. Дефицит и зачастую значительная удаленность месторождений качественного глинистого сырья – это одни из наиболее значимых проблем в технологии производства стеновых керамических материалов. Перспективным местным сырьем для кирпичного производства являются повсеместно распространенные на территории России высококремнеземистые породы (тощие пылева-тые суглинки и опал-кристобалитовые породы). Однако традиционные технологии пластического формования и полусухого прессования не обеспечивают получение качественного бездефектного кирпича из высококремнеземистых пород.
Производство керамического кирпича с заданным комплексом эксплуатационных свойств (прочность при сжатии, морозостойкость, класс средней плотности) из высококремнеземистого сырья возможно за счет направленного формирования упорядоченной структуры изделий (матричной, равномернозер-нистой, ячеистой и др.) при их компрессионном формовании.
Использование высококремнеземистых пород в технологии стеновых керамических материалов с пониженной плотностью и высокими эксплуатационными характеристиками позволит расширить ассортимент изделий для возведения долговечных зданий и сооружений с высоким показателем надежности конструкций, а также снизить нагрузки на фундамент.
Диссертационная работа выполнялась в рамках государственных научных и научно-технических программ: федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (Соглашение № 14.607.21.0106) и в рамках государственных заданий (Соглашение № 2555 и Соглашение № 7.7285.2017/БЧ)
Степень разработанности темы исследования. Вопросы, связанные с расширением сырьевой базы для производства керамического кирпича, изложены в работах Будникова П.П., Ашмарина Г.Д., Верещагина В.И., Глиби-ной И.В., Яценко Н.Д., Кара-Сала Б.К., Котляра В.Д., Сайбулатова С.Ж., Стол-боушкина А.Ю., Стороженко Г.И. и др. Вопросами научного обоснования методов формирования и регулирования структуры дисперсных керамических масс занимались Будников П.П., Буров Ю.С., Книгина Г.И., Круглицкий Н.Н., Ребиндер П.А., Фадеева В.С., Шильцина А.Д. и др. Вместе с тем традиционные технологии пластического формования и полусухого прессования не позволяют получать керамический кирпич с высокими эксплуатационными характеристиками из непластичного высококремнеземистого сырья без введения значительного количества добавки пластичной глины. Работами отечественных ученых, в том числе Ашмарина Г.Д., Кондратенко В.А, Котляра В.Д., Курносова В.В., Ласточкина В.Г., Салахова А.М., Столбоушкина А.Ю., Стороженко Г.И. и др. по-
4 казана эффективность способа компрессионного формования для повышения качества керамического кирпича.
Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованных составов и технологических приемов получения стеновых керамических материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками из дисперсных высококремнеземистых пород.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Систематизировать имеющиеся научные данные и определить проблемы получения керамического кирпича на основе дисперсных высококремнеземистых пород.
-
Разработать методологию проведения исследований.
-
Исследовать вещественный состав и технологические свойства высококремнеземистых пород (тощие пылеватые суглинки и опал-кристобалитовые породы).
-
Разработать состав и технологию получения стеновых керамических материалов из гранулированных дисперсных высококремнеземистых пород с однородной равномернозернистой структурой.
-
Разработать составы и технологию получения стеновых керамических материалов пониженной плотности на основе гранулированного пеностекло-кристаллического материала (ГПСКМ) и высококремнеземистых пород.
-
Исследовать влияние равномернозернистой и ячеистой макроструктуры на эксплуатационные свойства стеновых керамических материалов из дисперсных высококремнеземистых пород, полученных компрессионным формованием сырца.
-
Провести производственную апробацию и внедрение разработанных составов и технологий.
Научная новизна работы.
-
Установлено, что однородная равномернозернистая структура керамического кирпича компрессионного формования из высококремнеземистых пород обеспечивается за счет их измельчения (менее 300 мкм) с последующей агрегацией в гранулы (размером 1-3 мм), обладающие способностью проявлять пластическую деформацию при компрессионном формовании для беспрепятственного воздухоудаления, что позволяет снизить открытую пористость на 14,7-19,4 %, увеличить прочность при сжатии и изгибе в 1,3-1,5 раза, морозостойкость в 1,4-2,1 раза и снизить водопоглощение на 15-30 %.
-
Установлено, что ячеистая структура стеновых керамических материалов обеспечивается за счет компрессионного формования гранулированного пеностеклокристаллического материала (до 75 об.%) со связкой из дисперсной глинистой или опал-кристобалитовой породы, что позволяет после обжига получить керамический кирпич пониженной плотности (класс средней плотности 1,0 и менее) с прочностью при сжатии более 15 МПа и морозостойкостью более 50 циклов.
3. Установлено, что в процессе обжига изделий при температуре 850-900С внутреннее вещество пеностеклокристаллических гранул переходит в пиропластичное состояние, и образовавшаяся из него жидкая фаза покрывает внутреннюю поверхность макропор (с размером 0,5-2 мм), возникших на месте гранул, и обеспечивает создание ячеистой структуры кирпича, представляющую собой систему из газовой фазы замкнутых макропор, твердой фазы керамического каркаса и стеклокристаллического слоя между ними (толщиной 30-100 мкм).
Теоретическая значимость работы заключается в получении новых научных данных о формировании структуры стеновых керамических материалов компрессионного формования из гранулированных дисперсных высококремнеземистых пород.
Практическая значимость работы. Разработаны составы и технологические приемы изготовления стеновых керамических материалов как с равно-мернозернистой, так и с ячеистой структурой из гранулированных дисперсных высококремнеземистых пород с использованием компрессионного формования, которые позволяют получать после обжига кирпич с высокими эксплуатационными свойствами. При этом его прочность при сжатии и изгибе составляет 16,2-24,6 и 2,2-4,2 МПа, средняя плотность 605-1770 кг/м3, морозостойкость – более 50 циклов. Новизна предлагаемых технических решений подтверждена патентами Российской Федерации №№ 2487844, 2500647, 2593832 и 2615199.
Внедрение результатов исследования. Разработанные способы получения керамического кирпича компрессионного формования опробованы на базе опытного производства ООО «Баскей Керамик» (измельчение и грануляция). В условиях ООО «Бердский кирпичный завод» (Новосибирская обл.) из гранулированных пресс-порошков и шихт были отформованы промышленные партии керамического кирпича. Разработан технологический регламент на проектирование производства эффективного керамического кирпича из трепелов Потанинского месторождения. Основные положения работы и результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет» в рамках курсов «Технология стеновых материалов», «Ограждающие конструкции», «Изучение фазового состава строительных материалов».
Методология работы и методы исследования. Работа выполнена на основе анализа результатов исследований отечественных и зарубежных ученых в области применения дисперсных высококремнеземистых пород в производстве строительной керамики, изучения свойств сырьевых материалов и готовых изделий. Проведены анализ и обобщение полученных данных.
Методы исследования: в работе использованы методы лабораторных исследований по определению физико-химических (химический, гранулометрический, рентгенофазовый, комплексный термический, электронно-микроскопический анализы) и физико-механических (определение воздушной и
6 огневой усадки, водопоглощения, кажущейся плотности, пористости, предела прочности при сжатии и изгибе, морозостойкости) свойств сырьевых материалов и готовых изделий. Методики исследования соответствуют государственным стандартам, регламентам и другим нормативным документам, применимым к данному объекту исследования.
Положения, выносимые на защиту:
Влияние равномернозернистой структуры на физико-механические свойства и фазовый состав стеновых керамических материалов из гранулированных дисперсных высококремнеземистых пород, полученных компрессионным формованием сырца.
Влияние ячеистой структуры на физико-механические свойства и фазовый состав стеновых керамических материалов пониженной плотности на основе гранулированного пеностеклокристаллического материала со связкой из дисперсной глинистой или опал-кристобалитовой породы, полученных компрессионным формованием сырца.
Влияние содержания гранулированного пеностеклокристаллического материала от 5 до 75 об.% в составе гранулированных шихт с дисперсной глинистой или опал-кристобалитовой породой на фазовый состав, структуру и свойства стеновых керамических материалов, полученных компрессионным формованием сырца.
Степень достоверности. Достоверность полученных результатов обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием стандартных методов испытаний, проведением исследований в аккредитованных испытательных организациях (Центр коллективного пользования «Материаловедение» СибГИУ, ОАО «Западно-Сибирский центр» и «Институт катализа» СО РАН), обработкой результатов экспериментов статистическими методами, представительным объемом проведенных лабораторно-технологических исследований и выпуском опытных партий керамического кирпича разработанных составов в заводских условиях.
Личный вклад состоит в выборе методов проводимых исследований, постановке задач, определении путей их решения, проведении физико-химических исследований и лабораторных испытаний для выполнения поставленных задач, выявлении закономерностей и формулировке основных выводов на основе анализа полученных в ходе экспериментальных исследований результатов. Автор лично принимал участие в разработке технологий и их промышленной апробации.
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования были представлены: на XV Академических чтениях РААСН – Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); III Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (СИБСТРИН) (Новосибирск, 2010); Международной научно-практической
7 конференции «Строительство – 2011» (Ростов-на-Дону, 2011); Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» (Белгород, 2011); Международных научно-практических конференциях «Развитие керамической промышленности России» КЕРАМТЭКС X–XVI (Санкт-Петербург, 2012.; Москва, 2013; Ростов-на-Дону, 2014; Казань, 2015; Челябинск, 2016; Чебоксары, 2017); Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС–18– 2012)» (Томск, 2012); Международной научно-технической конференции «Новые энерго- и ресурсосберегающие наукоемкие технологии в производстве строительных материалов» (Пенза, 2012); Международной научно-технической конференции «Строительные материалы-4С: состав, структура, состояние, свойства» (Новосибирск, 2015); Международной научно-практической конференции «Строительные материалы» – со страниц журнала в практику производства и строительства» (Уфа, 2015); 2-й Международной конференции «Новые материалы, механика и строительная техника 2015 (AMMSE 2015)» (Южная Корея, 2015).
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 35 научных публикациях. Среди них 12 статьей в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 7 статей в изданиях из перечня, индексируемого Scopus и WOS. Получены 5 патентов Российской Федерации на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, списка использованных источников, включающего 171 наименование, содержит 180 страниц, 63 рисунка, 70 таблиц, 4 приложения.