Научно - исследовательская часть

Обзор литературы

Доля керамических стеновых материалов в общем объеме промышленного и жилищного строительства достаточно высока. Это обусловлено невысокими эксплуатационными издержками, экологичностью, архитектурной выразительностью, долговечностью, относительной простотой при реставрации и ремонте сооружений.

Промышленность керамических строительных материалов является одной из самых материалоёмких отраслей народного хозяйства. Поэтому рациональное использование топлива, сырья и других материальных ресурсов становится решающим фактором её успешного развития в условиях проводимой экономической реформы. В связи с этим проблема применения в керамических материалах нетрадиционных добавок приобретает особую актуальность [10].

Известно, что в большинстве областей Казахстана отсутствуют или ограничены месторождения кондиционных глин, пригодных для производства керамического кирпича. В Казахстане керамические заводы в основном работают на лессовидных суглинках, относящихся к типу низкосортного отощенного сырья, исключающих возможность добавки к ним отощающих материалов или тугоплавких глин каолинит-монтмориллонитового состава, запасы которых крайне ограничены. Кроме того, широкое внедрение в керамическую промышленность по производству керамического кирпича автоматических линий, использование глинистого сырья Казахстана, по своим свойствам, значительно уступающим глинам Украины и России, обусловливает изыскание новых видов отощителей и плавней.

Отощающие материалы вводят в керамические массы для уменьшения усадки и деформации изделий при сушке. С увеличением содержания отощающих материалов облегчается перемещение влаги из глубинных слоев к поверхности, сокращаются продолжительность и стоимость сушки. В качестве отощающих материалов для керамических масс используют тонкомолотый кварц (содержание SiO₂ не менее 90%), полевой шпат, пегматит и нефелин-сиенит. Полевой шпат, пегматит, перлит и нефелин-сиенит являются, кроме того, плавнями, которые способствуют спеканию изделий. Запасы эффективных отощителей и плавней в Казахстане также ограничены [2].

Одним из аспектов решения проблемы по изысканию качественного сырья для производства керамического кирпича является использование нетрадиционных добавок.

Цеолитсодержащее сырье используется в промышленности строительных материалов сравнительно недавно из-за малого изучения применения сырья в данной промышленности. Природные цеолиты - новый вид минерального сырья. Цеолиты обладают уникальными адсорбционными и ионообменными свойства, химической и механической устойчивостью. Название "цеолит" происходит от двух греческих слов: "цео" - кипеть и "литос" - камень. Следовательно, цеолит - это кипящий камень, или камень, способный кипеть и, действительно, цеолиты способны значительно увеличиваться в объеме при резком нагревании [12,13].

Общим для всех минералов из группы цеолитов является наличие трехмерного алюмокремнекислородного каркаса, образующего системы полостей и каналов, в которых расположены щелочные, щелочноземельные катионы и молекулы воды. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены (удалены) путем ионного обмена и дегидратации, причем обратимо, без разрушения каркаса цеолита. Лишенный воды цеолит представляет собой микропористую кристаллическую "губку", объем пор в которой составляет до 50% объема каркаса цеолита. В чистом виде цеолиты бесцветны, но природные могут быть окрашены тонко рассеянными минеральными включениями (например, механические примеси окислов железа окрашивают цеолиты в красноватый цвет) (рис 10.1.1) [15-17].

Рис. 10.1.1 - Внешний вид цеолита и его микропористая структура.

Химический состав цеолитов представлен такими оксидами как: SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, Fe₂O₃ и другими. Из-за высокого содержания оксида кремния, составляющего около 70%, цеолитсодержащие породы могут использоваться в производстве строительной керамики в качестве отощающей добавки. Природные цеолиты также включают свыше 50 минералов. Их классифицируют по основным структурным типам. Различают группы анальцима, натролита, шабазита, морденита, фожазита, однако, наиболее распространены в природе лишь два - клиноптилолит и морденит[16].

Цеолитсодержащее глинистое сырье является полиминеральным и в основном сложено глинистыми минералами, цеолитами, кварцем, полевыми шпатами, иногда присутствует реликтовое вулканическое стекло, кальцит. Достаточная техническая прочность клиноптилолита, устойчивость к действию высоких температур, агрессивных сред, селективность к крупным катионам щелочных, щелочноземельных металлов, поглощающая способность и ситовый эффект - все это обуславливает широкое использование минерала. Однако для производства строительной керамики, содержание клиноптилолита не должно содержаться более нормируемой величины, иначе при термических превращениях клиноптилолита керамический черепок трескается.

Цеолит применяется практически во всех сферах жизнедеятельности человека от медицины до сельского хозяйства. Мировая добыча природных цеолитов в настоящее время оценивается в 3-4 млн. т в год. Из них только около 20% добываемых цеолитов используется в промышленности строительных материалов. Многие вскрышные цеолитсодержащие породы отправляются в отвалы и занимают плодородные земли. Но благодаря, проведенным опытам, цеолитсодержащие породы из отвалов могут быть использованы в производстве керамического кирпича. Данный кирпич отвечает всем физико-механическим характеристикам. Таким образом, использование цеолитсодержащей добавки в производстве строительной керамики не только повышает прочностные характеристики готовой продукции, но также улучшает экологическую проблему добычи природного цеолита [14,15].

Другой нетрадиционной добавкой в производстве керамического кирпича является волластонит, обладающий крупнокристаллической игольчато-волокнистой структурой, используемый для получения малоусадочных керамических изделий, отличающихся высокой прочностью, термо- и морозостойкостью. Большое внимание привлекает к себе и искусственный волластонит, получаемый из смесей кальций и кремнеземсодержащих компонентов. По своим свойствам синтезированный волластонит (рис 10.1.2) практически идентичен натуральному, а по некоторым показателям даже превосходит его [55,56].

Рис. 10.1.2 - Синтетический волластонит

Волластонит - метасиликат кальция (СаSiO₃) с характерной игольчатой структурой кристаллов, при раскалывании которых образуются зерна игольчатой формы. Игольчатая форма зерна волластонита определяет его основное направление использования в качестве микроармирующего наполнителя. Но в некоторых отраслях промышленности имеет значение и химический состав волластонита, т. к. он является одновременно источником СаО и Si0₂. Волластонит ценится за его белизну (90-97%) химическую инертность, игольчатость (15:1-20:1) высокую температуру плавления (1540⁰С) хорошие термоизоляционные свойства, низкую поглощаемость влаги и кислот.

Области применение волластонита довольно широки и разнообразны. Волластонит главным образом является перспективным наполнителем композиционный материалов, использующихся в ответственных отраслях промышленности: керамическая, в том числе в строительной, фарфорофаянсовой, санитарной керамики; стройиндустрии: цементная, стекольная промышленность, производство минеральной ваты, деталей машин и т.д. Основной областью применения волластонита в настоящее время является керамическая промышленность. Особый интерес представляет использование волластонита в производстве глазури, глазурной фритты, флюсов и цветных протрав (смальты) [57,58].

Следует подчеркнуть важную роль волластонита в производстве изделий строительной керамики. Добавление волластонита в качестве добавки ведет к повышению качества изделий, в первую очередь их прочности, и сокращению времени обжига, а также уменьшает количество брака при сушке и обжиге изделия. В США эта особенность материала оценена по достоинству, где более половины получаемого волластонита расходуется на изготовление кафеля.

Керамическая масса с добавкой волластонита обладает совершенно необычными свойствами. При нагревании до максимальной температуры шихта расплавляется лишь частично, не расплавившиеся остатки волластонитовых иголок создают плотный каркас, препятствующий изменению прежнего объема. Небольшая потеря объема обусловлена увеличением пор связующей глины, являющейся обязательным компонентом шихты (волластонит при плавлении и последующей кристаллизации практически не меняет объема). Последующая кристаллизация шихты при охлаждении изделия прочно скрепляет иголки между собой. Получающийся в результате керамический черепок обладает рядом свойств: во-первых, он практически сохраняет размеры, приданные ему при формовке, а, во-вторых, из-за большой пористости и "сетчатого" строения черепок, несмотря на низкую прочность, близкую к прочности фарфора, почти не бьется [59,60].

Требования к волластонитовому продукту зависят от области его применения. В керамической промышленности используется концентрат, в котором содержание волластонита должно быть не менее 80%, а примесь кальцита не должно превышать 5% [61]

Анализ источников литературы показал актуальность и необходимость применения нетрадиционных видов добавок, таких как природный цеолит и синтетический волластонит в производстве строительного кирпича. Добавки улучшат не только прочностные характеристики продукции, но и позволят экономить на процессах сушки и обжига [62].