WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

Наумов Алексей Александрович

МОДИФИЦИРОВАННЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КИРПИЧ

ПОВЫШЕННОЙ МОРОЗОСТОЙКОСТИ

Специальность: 05.23.05 – Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Юндин Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шмитько Евгений Иванович,

проф. кафедры «Технология строительных

материалов, изделий и конструкций»

ФГБОУ ВПО «ВГАСУ» (г. Воронеж)

доктор технических наук, профессор

Курочка Павел Никитович,

  зав. кафедрой «Изыскания, проектирование и

строительство железных дорог»

ФГБОУ ВПО «РГУПС» (г. Ростов-на-Дону)

Ведущая организация:  ООО «ИНТА-Строй», г. Омск

Защита диссертации состоится  «29» ноября  2012 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.207.02 при Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022, Ростов-на-Дону, ул. Социа-листическая, 162, РГСУ, главный корпус, ауд.232, тел/факс 8(863) 201-91-26.

E-mail: dis_sovet_rgsu@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного строительного университета и на сайте www.rgsu.ru

Автореферат разослан  «25» октября  2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент  А.В.  Налимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Решение проблемы долговечности стен зданий и сооружений является одним из актуальных направлений в реализации на-ционального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России». Как известно, сроки эксплуатации построенных зданий до первого капитального ремонта стен будут зависеть от долговечности примененных при строительстве материалов, среди которых основную долю занимает керамический кирпич, отличающийся от других материалов сочетанием благоприятных свойств и архитектурной выразительностью.

Так как часто одной из причин разрушения стеновых конструкций является совместное действие воды и мороза, то первостепенное значение при обеспечении сохранения прочностных и других характеристик конст-рукции, имеет решение вопросов, связанных с морозостойкостью исполь-зуемых материалов.

Проблема повышения морозостойкости стеновых керамических изделий особенно обострилась в связи с вводом в действие в 2008 году ГОСТ 530-2007. Требования по морозостойкости в нормативном документе резко повысились от 25 до 50 и более циклов в зависимости от климатического пояса и области применения изделий.

Большинство отечественных кирпичных заводов, построенных еще в советское время и работающих по технологии полусухого прессования, в современных условиях оказались в весьма сложном положении из-за низкой морозостойкости выпускаемых изделий.

Существующие способы повышения морозостойкости керамического кирпича обладают рядом недостатков и зачастую не обеспечивают увели-чение морозостойкости черепка. Так, введение в глиномассу топли-восодержащих выгорающих добавок не во всех случаях позволяет увеличить морозостойкость, и при этом ухудшается внешний вид изделий за счет образования темных пятен. Повышение температуры обжига не для всех видов глинистого сырья дает положительный эффект.

Для существенного повышения морозостойкости керамического кирпича, обеспечивающей долговечность наружного стенового ограждения, требуются новые технологические способы создания оптимальных структур керамического черепка, безопасных для попеременного замораживания и оттаивания воды в его порах. Поэтому актуальным является развитие теоретических основ структурообразования и технологических способов получения керамического кирпича требуемой морозостойкости, модифици-рованного добавками, без ухудшения его внешнего вида и физико-механических показателей.

В некоторых случаях повышению морозостойкости керамических ма-териалов способствует введение в состав глиномасс плавней, содержащих значительное количество оксидов щелочноземельных металлов. В связи с этим, большой научный и практический интерес представляет изучение влияния новых видов кальцийсодержащих добавок на формирование структуры черепка при обжиге и физико-механические показатели готовых изделий.

Цель работы: разработка рецептуры и технологических приемов управления структурой керамического кирпича из легкоплавкого глинистого сырья для повышения его морозостойкости.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- определить качественную характеристику и стабильность свойств  кальцийсодержащего отхода производства минеральных удобрений;

- изучить влияние кальцийсодержащей добавки на физико-механичес-кие показатели обожженных образцов пластического и полусухого прессования при различных технологических схемах подготовки сырья;

- исследовать структурные и фазовые превращения в обожженном черепке под влиянием кальцийсодержащей добавки;

- разработать  рациональные  составы глиномасс и технологию изготов-

ления кирпича повышенной морозостойкости с использованием предла-гаемой добавки;

- провести опытно-промышленные испытания разработанной техно-логии производства керамического кирпича повышенной морозостойкости и исследовать полученные в производственных условиях изделия;

- определить технико-экономическую эффективность предлагаемого способа производства керамического кирпича повышенной морозостойкости.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- в  установлении эффекта повышения морозостойкости керами-ческого черепка как пластического, так и полусухого прессования при введении в состав керамической массы минеральной кальцийсодержащей добавки – отхода, образующегося при производстве минеральных удобрений. Научно-техническая новизна установленного факта подтверждена патентом РФ на изобретение;

- выявлено, что повышение морозостойкости керамического черепка при введении минеральной добавки обеспечивается созданием в процессе обжига более благоприятной структуры с точки зрения морозостойкости – с большим количеством резервных пор и лучшей возможностью для миграции влаги при льдообразовании;

- установлено, что кальцийсодержащая добавка при обжиге глинис-того материала оказывает влияние на процесс кристаллообразования – ее введение способствует увеличению содержания анортита и появлению новой фазы – геленита, то есть кристаллических фаз, обеспечивающих повышение прочности керамического черепка;

- определено, что действие добавки проявляется только при условии гомогенизации керамической массы.

Практическая значимость:

- разработаны рациональные составы глиномасс, содержащих мине-ральную добавку, для получения керамического кирпича повышенной морозостойкости;

- в результате опытно-промышленных испытаний на основе разра-ботанных составов и технологических параметров производства получены лицевые керамические изделия с маркой по морозостойкости не ниже F 50;

- подтверждена технико-экономическая эффективность применения минеральных модифицирующих добавок при производстве керамического кирпича повышенной морозостойкости;

- определена возможность утилизации кальцийсодержащих отходов, образующихся при производстве минеральных удобрений.

Автор защищает:

- выявленный эффект и механизм повышения морозостойкости керамического черепка при введении в состав шихты минеральной модифицирующей добавки;

- установленные закономерности влияния минеральной модифицирующей добавки на морозостойкость и другие физико-механические свойства обожженных образцов;

- результаты комплексного изучения влияния модифицирующей добавки на структурные и фазовые превращения в черепке в процессе обжига;

- результаты, полученные в процессе опытно-промышленных испытаний;

- рекомендации по оптимизации технологических параметров изготовления керамического кирпича повышенной морозостойкости из легкоплавкого глинистого сырья;

- разработанную технологию производства керамического кирпича повышенной морозостойкости.

Достоверность исследований и выводов по работе обеспечена применением современных методов исследований и научно обоснованных методик, вероятностно-статистических методов обработки полученных результатов, а также опытно-промышленными испытаниями и их положительными практическими результатами.

Апробация работы: Основные положения  диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на Международных научно-практических конференциях «Строительство» 2010, 2011, 2012 г.г., РГСУ, г. Ростов-на-Дону;

- Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии», 2011 г., БГТУ им. В.Г. Шухова, г. Белгород;

- Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения» - Секция: «Проблемы экологии в АПК. Ресурсосберегающие и безотходные технологии», 2012 г., ДГТУ, г. Ростов-на-Дону.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях по списку ВАК РФ, а также получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 172 источников и приложений. Работа изложена на 163 страницах, включает 49 рисунков и 32 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, поставлена цель работы, определены задачи для достижения данной цели, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе «Аналитический обзор, цель и задачи исследований» представлен анализ опубликованных работ, посвященных механизму разрушающего действия воды при ее замораживании в порах и капиллярах изделий, влиянию пористой структуры материала на его морозостойкость и мероприятиям, позволяющим повысить морозостойкость керамического черепка.

Значительный вклад в теорию морозостойкости, а также в разработку способов ее повышения внесли А.С. Беркман, Г.С. Блох, Р.Е. Бриллинг, П.П. Будников, Г.И. Горчаков, И.Г. Мельникова, А.П. Меркин, Т.С. Пауэрс, Г. Эверетт и другие ученые.

На основе анализа научной литературы установлено, что механизм деструктивного воздействия замерзающей в теле капиллярно-пористого материала воды весьма сложен и слагается из различных факторов, накладывающихся друг на друга. Основными при этом являются давление растущих ледяных кристаллов на стенки пор и капилляров и давление, создаваемое миграцией влаги.

Морозостойкость изделий связана с их поровой структурой. Более благоприятная в отношении морозостойкости структура характеризуется наличием резервных пор, в которые может вытесняться лед или вода в процессе льдообразования, и хорошей водопроницаемостью для миграции влаги, что позволит уменьшить возникающие при ее движении напряжения.

Повысить морозостойкость обожженных изделий возможно при введении добавок, способствующих как упрочнению керамического черепка, так и увеличению объема резервной пористости.

Анализируя результаты проведенного обзора литературных источников, нами была сформулирована рабочая гипотеза: получение керамического кирпича повышенной морозостойкости возможно за счет формирования рациональной пористой структуры и увеличения содержания кристаллических новообразований в черепке путем введения в состав шихты минеральных модифицирующих кальцийсодержащих добавок. Исходя из этого были определены цель и задачи исследования.

Во второй главе «Характеристика материалов и методики иссле-дований» представлена качественная характеристика исходных материалов и изложены методики экспериментальных исследований.

В качестве объектов исследований использовали широко распростра-ненные в керамическом производстве сырьевые материалы – легкоплавкое монтмориллонито-гидрослюдистое сырье 6 месторождений: Россошанского (Воронежская обл.), Султан-Салынского, Кущевского, «Кагальник-3», Атюхтинского (Ростовская обл.) и Светлоярского (Волгоградская обл.).

Кальцийсодержащий отход, используемый в качестве минеральной добавки, образуется в процессе производства минеральных удобрений на ОАО «Минудобрения» (г. Россошь, Воронежская обл.) и представляет собой дисперсный порошок белого цвета с зернами сферической формы.

Химический состав глинистого сырья и минеральной добавки представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав исходных материалов

Наименование месторождения глинистого сырья / добавки

SiO2

свобод-

ный кварц

Химический состав, %

SiO2

Al2O3

Fe2O3

общ.

CaO

MgO

SO3

общ.

TiO2

K2O

Na2O

Р2О5

п.п.п.

Россошанское

33,60

63,19

9,68

3,86

7,75

1,87

0,04

0,62

1,89

0,67

-

9,51

Султан-Салынское

30,72

59,69

11,65

5,30

7,09

3,06

0,03

0,76

2,17

1,21

-

9,21

Светлоярское-2 (глина)

16,54

54,93

17,25

7,26

3,64

3,25

0,39

0,92

4,10

1,18

-

6,85

Светлоярское-2 (супесь)

51,39

74,69

9,14

2,97

4,39

1,40

0,06

0,47

1,43

0,94

-

3,68

Атюхтинское

30,73

58,76

10,76

5,40

8,51

2,86

0,03

0,70

1,14

2,06

-

9,89

Кущевское

27,09

58,01

12,65

4,64

8,06

2,75

0,13

0,64

2,44

1,24

-

9,78

«Кагальник-3»

26,68

55,48

11,20

5,31

9,73

2,92

1,03

0,69

1,85

0,95

-

9,89

Минеральная добавка

-

0,65-0,70

0,99-1,05

0,43-0,46

44,74-48,05

2,06-

2,23

3,86-4,17

0,12-

0,13

0,01-

0,02

0,02-0,03

0,95-

1,03

42,28-46,02

Для корректировки сушильных свойств при изготовлении образцов пластического формования из кущевского глинистого сырья использовали кварцевый самарский песок (МК = 1,94).

В соответствии с решаемыми в диссертации задачами были применены как стандартные, так и физико-химические методы исследований.

Рентгенофазовый анализ порошкообразных проб проводили на дифрактометре ДРОН-7 с использованием медного монохроматизированного излучения. Термограммы сняты на дериватографе NETZSCH STA 449 Jupiter в интервале температур 20-10000С. Микроскопические исследования пористой структуры обожженного материала проводили с помощью электронного сканирующего микроскопа VEGA II LMU фирмы Tescan и металлографического микроскопа МЕТАМ-Р1. Величины эффективных радиусов капилляров образцов определяли по методике института НИИстройкерамика, основанной на скорости капиллярного водонасыщения. Определение размеров пор керамического черепка и распределения пор по размерам проводили на ртутном порозиметре AutoPore IV 9500 производства Micromeritics Instrument Corp. Дилатометрические исследования при замораживании водонасыщенных образцов проводили на специально изготовленной установке на базе кварцевого дилатометра и морозильной камеры при температуре до -200С.

В третьей главе «Морозостойкость и физико-механические свойства керамического черепка с модифицирующей добавкой» приведены результаты изучения влияния минеральной добавки на основные физико-механические показатели и пористую структуру обожженных образцов.

Выявлено, что минеральная добавка позволяет повысить прочность черепка, как это видно на примере обожженных образцов полусухого прессования, изготовленных из султан-салынского глинистого сырья (рис. 1). Максимальное значение прочности достигается при содержании добавки в шихте 2,5 %.

Рис. 1 Влияние содержания минеральной добавки на прочность обожженных образцов при сжатии и при изгибе

Введение добавки способствует повышению морозостойкости обожженных образцов с 9 циклов у образцов без добавки до 100 и более циклов у образцов, содержащих 5 – 10  % добавки (рис. 2).

Рис. 2 Влияние содержания минеральной добавки на морозостойкость и объем резервной пористости обожженных образцов

Минеральная добавка существенно влияет на резервную пористость обожженных образцов (рис. 2), которая увеличивается в 2,5 раза – с 2,1 % у образцов из чистого глинистого сырья до 5,2 % у образцов, содержащих 10 % добавки.

Определено, что рациональное содержание добавки в глиномассе составляет 5 мас. %. При уменьшении содержания добавки не достигается максимальная морозостойкость черепка, при увеличении – снижается прочность и увеличивается водопоглощение.

Необходимо отметить, что данные результаты получены при условии равномерного распределения добавки в керамической массе. При полусухом способе прессования гомогенная масса может быть получена по технологии, предусматривающей предварительную переработку массы с минеральной добавкой и последующей грануляцией. При введении минеральной добавки в уже подготовленный пресс-порошок, без пластической переработки, морозостойкость обожженных образцов практически не повышается.

Влияние минеральной добавки на физико-механические характерис-тики обожженных образцов, изготовленных способом пластического и полу-сухого прессования из глинистого сырья различных месторождений, представлено в табл. 2.

Таблица 2

Физико-механические показатели обожженных образцов

Шифр массы

Наименование сырья и его содержание, % по массе

Способ

прессо-вания

Удель-ное давле-ние прессо-вания, МПа

Темпе-ратура обжига, 0С

Средняя плот-ность, кг/м3

Прочность, МПа

Водо-погло-  щение,

%

Моро-зостой-кость, циклы

при сжатии

при изгибе

Глинистое сырье

Добавка

РШ

Россошанское - 100

-

полу-сухой

25

1000

1910

36,7

6,3

13,7

4

РШ-5

Россошанское - 95

Минеральная добавка - 5

полу-сухой

25

1000

1900

46,2

7,1

12,6

212

СС

Султан-салынское -

100

-

полу-сухой

20

1000

1902

33,6

9,4

14,4

9

СС-5

Султан-салынское - 95

Минеральная добавка - 5

полу-сухой

20

1000

1827

38,5

10,8

14,6

100

КЩ

Кущевское - 84

Песок самарский* - 16

пласти-ческий

-

1000

1860

25,2

9,4

13,5

9

КЩ-5

Кущевское - 78

Песок самарский* - 15

Минеральная добавка - 5

пласти-ческий

-

1000

1810

29,6

11,2

13,2

84

СЯ

Светлоярское:

суглинок - 60

супесь - 40

-

полу-сухой

15

1020

1940

39,4

12,4

12,0

30

СЯ-5

Светлоярское:

суглинок - 60

супесь - 35

Минеральная добавка - 5

полу-сухой

15

1020

1900

45,0

15,7

13,5

246

КГ

Кагальницкое-3 - 100

-

полу-сухой

20

1020

1834

31,7

11,8

13,6

2

КГ-5

Кагальницкое-3 - 95

Минеральная добавка - 5

полу-сухой

20

1020

1820

40,2

16,1

13,7

128

АТ

Атюхтинское - 100

-

полу-сухой

20

1000

1875

22,1

8,0

14,5

4

АТ-5

Атюхтинское - 95

Минеральная добавка - 5

полу-сухой

20

1000

1840

28,4

9,7

14,8

75

  Примечание: * - песок в состав массы вводили для улучшения сушильных свойств.

Установлено, что минеральная добавка позволяет в 8 – 60 раз увеличить морозостойкость и до 30 % повысить прочность обожженных образцов, практически не оказывая влияния на водопоглощение и среднюю плотность.

При исследовании модифицирующего действия добавки на пористую структуру черепка установлено, что введение добавки несколько повышает объемы общей и открытой пористости у обожженных образцов из всех видов глинистого сырья. Объемы капиллярной пористости, в основном, также уве-личиваются. На величину закрытой пористости добавка существенного влияния не оказывает. Объем же резервной пористости у обожженных образ-цов при введении минеральной добавки повышается в 1,5-2,2 раза (табл. 3).

Таблица 3

Характеристика пористости обожженных образцов

Шифр массы

Способ прессования

Удельное давление прессо-вания, МПа

Темпе-ратура обжига, 0С

Пористость, %

Общая

Откры-тая

Капил-лярная

Резерв-ная

Закры-тая

РШ

полусухой

25

1000

29,6

28,6

26,4

2,2

1,0

РШ-5

полусухой

25

1000

29,6

28,5

23,8

4,7

1,1

СС

полусухой

20

1000

30,7

29,1

27,0

2,1

1,6

СС-5

полусухой

20

1000

33,5

32,0

27,4

4,6

1,5

КЩ

пластический

-

1000

30,9

29,6

25,9

3,7

1,3

КЩ-5

пластический

-

1000

31,4

30,0

23,6

6,4

1,4

СЯ

полусухой

15

1020

26,3

25,1

21,7

3,4

1,2

СЯ-5

полусухой

15

1020

32,4

31,1

25,9

5,2

1,3

КГ

полусухой

20

1020

29,1

28,0

26,0

2,0

1,1

КГ-5

полусухой

20

1020

32,0

30,9

26,5

4,4

1,1

АТ

полусухой

20

1000

30,3

29,1

27,0

2,1

1,2

АТ-5

полусухой

20

1000

33,1

31,9

27,5

4,4

1,2

Исследование влияния удельного давления прессования и температуры обжига с применением математического планирования эксперимента и компьютерной обработкой результатов на физико-механические свойства обожженных образцов показало, что из султан-салынского и атюхтинского глинистого сырья, при содержании в шихте 5 % минеральной добавки, уплотняющем давлении 23-25 МПа и температуре обжига 1020-10500С можно получить керамические образцы с морозостойкостью 100-200 циклов.

Графическая зависимость влияния удельного давления прессования (Х2) и температуры обжига (Х1) на морозостойкость образцов, изготовленных из султан-салынского глинистого сырья, представлена на рис. 3.

Рис. 3 Изолинии, полученные по уравнениям регрессии

Таким образом, введение в состав шихты кальцийсодержащей минеральной добавки в количестве 5 мас. %, при условии ее равномерного распределения в керамической массе, позволяет увеличить морозостойкость обожженного черепка в 8 – 60 раз за счет увеличения количества резервных пор в модифицированном материале в 1,5 – 2,2 раза и повышения прочности образцов как при сжатии, так и при изгибе до 30 %.

В четвертой главе «Структурные и фазовые превращения в керами-ческом черепке при введении модифицирующей добавки» представлены результаты исследований процессов кристаллообразования, происходящих при обжиге образцов с модифицирующей добавкой, и структуры черепка с использованием дериватографических, рентгенофазовых, дилатометричес-ких, электронно-микроскопических и других методов.

Микроскопические исследования (рис. 4) показали, что модифици-рованный черепок характеризуется бльшим количеством пор диаметром более 100 мкм, которые можно отнести к резервным.

На микрофотографиях, выполненных при большем увеличении (рис. 5) видно, что минеральная добавка способствует лучшему спеканию керамической массы и, соответственно, более высокой прочности модифицированных образцов.

а б

Рис. 4 Микрофотографии обожженного образца без добавки (а)

и с 5 % минеральной добавки (б) при увеличении 170Х 

  а б

Рис. 5 Микрофотографии обожженного образца без добавки (а)

и с 5 %  минеральной добавки (б) при увеличении 10000Х

Повышенное содержание крупных пор в модифицированном материале подтвердили также исследования поверхности образцов с помощью оптического микроскопа.

При исследовании распределения пор керамического черепка по размерам  выявлено, что у модифицированного черепка интегральная кривая в области крупных пор идет выше кривой, характеризующей образец из чистого глинистого сырья (рис. 6).

Рис. 6 Интегральная кривая распределения пор по размерам образцов полусу-хого прессования без добавки (кривая 1) и с 5 % мине-ральной добавки (кривая 2)

При этом структурная характеристика, определяющая морозостойкость изделий и представляющая собой соотношение объемов крупных пор к мелким, у модифицированных образцов заметно выше.

Определение размеров эффективных радиусов капилляров в обожжен-ных образцах показало, что введение минеральной добавки позволяет несколько укрупнить сечение капилляров в керамическом черепке. Это обстоятельство способствует облегчению процесса миграции влаги в материале во время его замораживания в резервные поры внутри изделия и выдавливанию избыточной воды на поверхность образцов, благодаря чему в капиллярах не развиваются значительные напряжения, способные разрушить материал.

Проведенный дериватографический анализ показал, что количество и температуры термических эффектов у масс с добавкой и без добавки одинаковы, однако, у модифицированной массы площадь эндоэффекта с максимумом при температуре 8700С больше, что связано с диссоциацией вводимого карбонатного материала, а также увеличивается экзоэффект при 9400С, что, вероятно, обусловлено образованием новых кристаллических фаз.

Изучение минералогического состава черепка с помощью рентгено-фазового анализа (рис. 7)  подтвердило  это предположение.

Рис. 7 Рентгенограммы обожженных образцов без добавки (1) и с 5 % минеральной добавки (2), обожженных при температуре 10000С.

Введение минеральной добавки способствует увеличению содержания анортита в черепке и образованию новой фазы – геленита, т.е. увеличивается количество кристаллических фаз, обеспечивающих повышение прочности керамического черепка.

С целью изучения процесса изменения линейных размеров водонасы-щенных керамических образцов, содержащих минеральную добавку и без нее, под влиянием отрицательных температур были проведены низкотемпературные дилатометрические исследования.

На рис. 8 представлены графики деформаций (средние деформации серии образцов) при замораживании сухих, а также предварительно насы-щенных водой образцов, изготовленных как из чистого глинистого сырья, так и с содержанием 5 % минеральной добавки. Водонасыщенные образцы испытывали (замораживали и оттаивали) три раза подряд. После первого и второго замораживания образцы погружали в воду на 24 часа.

Рис. 8 Средние деформации образцов

1 – сухих образцов; 2, 3, 4 – водонасыщенных образцов без добавки при охлаждении соответственно при 1-м, 2-м и 3-м замораживании; 2’, 3’, 4’- то же, при оттаивании; 5, 6, 7 – водонасыщенных модифицированных образцов при охлаждении при 1-м, 2-м и 3-м замораживании; 5’, 6’, 7’ – то же, при оттаивании

Видно, что образцы, содержащие минеральную добавку, имеют дилатометрический эффект (т) примерно в 2 раза меньший, чем у образцов без добавки. Также можно заметить, что с каждым циклом полное удлинение образцов без добавки увеличивается, как и остаточная деформация (R).

Характерным для модифицированных образцов является полная воспроизводимость дилатометрической кривой при первом и последующих циклах замораживания, а также неизменность степени удлинения при отсутствии остаточной деформации.

Уменьшение в 2 раза относительного удлинения при замораживании и отсутствие остаточной деформации после оттаивания водонасыщенных образцов, содержащих минеральную добавку, свидетельствует о более благоприятной пористой структуре материала в отношении морозостойкости, в сравнении с образцами без добавки, и его способности сопротивляться многократным циклам замораживания и оттаивания.

Проведенные исследования показали, что введение кальцийсодержащей минеральной добавки сферической формы в глиномассу способствует фор-мированию рациональной пористой структуры керамического черепка и увеличению содержания кристаллических фаз, обеспечивающих повышение прочности обожженного материала, что предопределяет высокую морозо-стойкость изделий.

В пятой главе «Опытно-промышленная апробация и расчет экономи-ческой эффективности» представлены результаты проведенных опытно-промышленных испытаний и расчет ожидаемой экономической эффектив-ности.

Выпущены опытные партии керамического кирпича на кирпичных заводах ООО «Фили’Н-КСМ» и ООО «Аристотель» из глинистого сырья Атюхтинского и Султан-Салынского  месторождений,  модифицированные

5 % минеральной добавки.

Результаты физико-механических испытаний опытного кирпича и для сравнения кирпича, изготовленного из заводского состава на основе атюхтинского сырья (с топливосодержащей добавкой), приведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты физико-механических испытаний опытного кирпича

Наименование

Темпера-тура обжига, 0С

Средняя плотность, кг/м3

Прочность, МПа

Водо-погло-щение,

%

Морозо-стойкость, циклы

при сжатии

при изгибе

Кирпич с минераль-ной добавкой (султан-салынское сырье)

1050

1858

17,2

3,0

13,5

64

Кирпич с минеральной добавкой (атюхтинское сырье)

1050

1870

16,4

2,8

13,7

52

Кирпич с топливо-содержащей добавкой (атюхтинское сырье)

1050

1828

13,2

2,5

15,1

18

Опытный кирпич, содержащий минеральную добавку, характеризуется более высокими физико-механическими показателями, а по внешнему виду и морозостойкости относится к лицевым изделиям.

Положительные результаты по проведенным полузаводским испытаниям подтверждают принципиальную возможность изготовления керамического кирпича повышенной морозостойкости по разработанной технологии.

На основании лабораторных и полузаводских испытаний разработаны технологическая схема и оптимальные параметры производства лицевого кирпича полусухого прессования.

Чистый дисконтированный доход при производительности 15 млн. шт. кирпича в год и жизненном цикле проекта 8 лет, рассчитанный примени-тельно к заводу ООО «Фили’Н-КСМ», при производстве лицевого керами-ческого кирпича повышенной морозостойкости составит 142 млн. рублей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана технология изготовления керамического кирпича повышенной морозостойкости на основе наиболее распространенного легкоплавкого монтмориллонито-гидрослюдистого глинистого сырья, заклю-чающаяся в том, что в состав шихты вводится кальцийсодержащая модифицирующая добавка – отход производства минеральных удобрений.

2. Изучена качественная характеристика минеральной модифи-цирующей добавки. Установлено, что она представляет собой дисперсный порошок белого цвета с зернами сферической формы. Преимущественный размер частиц составляет от 35 до 100 мкм. Минеральная добавка не диспергирует в воде, ее истинная плотность составляет 2,68-2,70 г/см3, насыпная плотность – 1390-1420 кг/м3.

3. Для достижения эффекта повышения морозостойкости обожженных образцов минеральная добавка должна быть равномерно распределена в керамической массе. При получении изделий по полусухой схеме это достигается предварительной пластической переработкой шихты и последующей грануляцией.

4. Рациональное содержание добавки в шихте составляет 5 % по массе. При указанной дозировке морозостойкость керамического черепка, изготов-ленного как пластическим, так и полусухим способами прессования, воз-растает с 2-30 до 75-246 циклов. Кроме этого добавка способствует повыше-нию прочности – в сравнении с образцами без добавки прочность модифи-цированных образцов как при сжатии, так и при изгибе возрастает до 30 %.

5. Рентгенофазовые исследования показали, что при введении кальций-содержащей добавки в обожженном черепке увеличивается содержание анортита и появляется новая фаза – геленит, то есть увеличивается количество кристаллических фаз, способствующих повышению прочности керамического черепка.

6. Установлено, что минеральная добавка влияет на капиллярно-пористую структуру обожженного материала, причем наиболее  сильное влияние она оказывает на резервную пористость (макропоры размером более 100 мкм), которая возрастает при увеличении содержании добавки с 2,1 до 5,2 %, т.е. в 2,5 раза. Это подтверждается как при определении основных типов пористости расчетным методом, так и методом ртутной порометрии, а также при электронно-микроскопических исследованиях. Также определено, что введение минеральной добавки позволяет укрупнить капилляры в керамическом черепке. Данный характер структуры облегчает процесс миграции влаги в материале при льдообразовании, к тому же более крупные поры будут играть роль резервных при замораживании, являясь «резервуарами» для вытеснения воды из пор меньших размеров, что позволит уменьшить возникающие напряжения в черепке.

7. Изготовлена экспериментальная установка для изучения процесса изменения линейных размеров водонасыщенных керамических образцов при замораживании. Низкотемпературные дилатометрические исследования показали, что у образцов, модифицированных минеральной добавкой, дилатометрический эффект при замораживании уменьшается в 2 раза и они характеризуются отсутствием остаточного удлинения после оттаивания. Это свидетельствует об уменьшении напряжений растяжения при льдообразо-вании в массиве изделия. Установлено, что на деформации водонасыщенных образцов при замораживании положительное влияние оказывает увеличение температуры обжига, при этом величина деформаций образцов при введении модифицирующей добавки сокращается в 2,8 раза. При повторных циклах попеременного замораживания и оттаивания величина относительного удлинения у немодифицированных образцов возрастает с 32·10-5 до 46·10-5, введение добавки содействует устранению этого явления, что способствует лучшему сопротивлению модифицированных образцов при многократных циклах замораживания и оттаивания.

8. Исследован характер и степень влияния основных технологических факторов – удельного давления прессования и температуры обжига – на физико-механические свойства модифицированных керамических образцов полусухого прессования. Повышение значений указанных факторов позволяет увеличить прочностные показатели изделий и их морозостойкость. При удельном давлении прессования 23-25 МПа и температуре обжига 1020-10500С получены керамические образцы с морозостойкостью от 100 до 200 циклов. Установлено, что существенное влияние как на прочность, так и на морозостойкость изделий оказывает соблюдение таких технологических параметров как влажность пресс-порошка и получение качественных прессовок, т.к. при дефектах структуры, возникающих при прессовании, заметно снижается как прочность, так и морозостойкость образцов.

9. На основании проведенных исследований выпущены опытно-про-мышленные партии лицевого керамического кирпича с морозостойкостью более 50 циклов. Разработана технологическая схема и определена технико-экономическая эффективность производства лицевого керамического кирпича повышенной морозостойкости для завода ООО «Фили’Н-КСМ».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Наумов, А.А. Увеличение морозостойкости кирпича полусухого прессования минеральной модифицирующей добавкой [Текст] / А.А. Наумов, А.Н. Юндин // Известия ВУЗов. Строительство. – 2011. - № 8-9. – С. 27-31.

2. Гуров, Н.Г. Пути повышения морозостойкости кирпича полусухого прессования [Текст] / Н.Г. Гуров, А.А. Наумов, Н.Н. Иванов // Строительные материалы. – 2012. - № 3. – С. 40-42.

3. Гуров, Н.Г. Повышение морозостойкости керамического камня полу-сухого прессования минеральной модифицирующей добавкой [Текст] / Н.Г. Гуров, А.А. Наумов, А.Н. Юндин // Строительные материалы. – 2012. - № 5. – С. 78-80.

4. Наумов, А.А. Морозостойкий керамический кирпич полусухого прессования из глинистого сырья Шахтинского завода [Электронный ресурс] / А.А. Наумов, А.Н. Юндин // Инженерный вестник Дона. – 2012. - № 3. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/page/8/

В других изданиях:

5. Наумов, А.А. О методике изучения морозостойкости грубокерами-ческих изделий [Текст] / А.А. Наумов // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство-2010» – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2010. – С. 69-71.

6. Наумов, А.А. Повышение морозостойкости керамических изделий из легкоплавкого глинистого сырья [Текст] / А.А. Наумов, Л.В. Котлярова, Н.Н. Иванов // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство-2010» – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2010. – С. 71-72.

7. Наумов, А.А. Повышение морозостойкости керамических изделий [Текст] / А.А. Наумов, Л.В. Котлярова, А.Н. Юндин // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство-2011» – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2011. – С. 102-103.

8. Наумов, А.А. Влияние технологических параметров производства на морозостойкость керамического кирпича, модифицированного минеральной добавкой [Текст] / А.А. Наумов, А.Н. Юндин // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные материалы и технологии» - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, Сб. докладов, Ч. 3, 2011. – С. 151-155.

9. Наумов, А.А. Развитие безотходных технологий при производстве ми-неральных удобрений [Текст] / А.А. Наумов, Н.Н. Иванов // Материалы 5-й междунар. науч.-практ. конф. «Состояние и перспективы развития сельскохо-зяйственного машиностроения» - Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2012. – С. 445-446.

10. Наумов, А.А. Фазовый состав керамического черепка с минеральной добавкой [Текст] / А.А. Наумов, А.Н. Юндин // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство-2012» – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2012.– С. 44-45.

11. Наумов, А.А. Повышение морозостойкости керамического черепка из глинистого сырья Шахтинского завода [Текст] / А.А. Наумов, А.Н. Юндин // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство-2012» – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2012. – С. 46-47.

12. Наумов, А.А. Влияние температуры обжига на пористую структуру черепка, модифицированного минеральной добавкой [Текст] / А.А. Наумов, А.Н. Юндин // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Строительство-2012» – Ростов-на-Дону: РГСУ, 2012. – С. 50-51.

13. Патент РФ № 2455257, МПК С04В33/132. Керамическая масса / Н.Г. Гуров, А.А. Наумов, Н.Н. Иванов, Р.Н. Гуров. Дата регистр.: 22.10.2009; опубл.: 10.07.2012, Бюл. № 19 – 6 с.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.