Керамические каркасные строительные материалы

ВТ. ЕРОФЕЕВ, доктор технических наук, член-кор. РААСН, С. А. КОРОТАЕВ, кандидат технических наук

В последнее время в строительном материаловедении активно развивается такое направление, как разработка и внедрение материалов каркасной структуры [3]. Получение каркасных строительных материалов (КСМ) базируется на создании оптимальных смесей заполнителей — гранул горных пород, а также искусственных заполнителей и склеивании этих гранул друг с другом с последующим заполнением пустот образуемого каркаса матрицей. Основу матрицы составляют связующие материалы органической и неорганической природы и наполнители. К настоящему времени исследованы полимер- О^ТШ tT#AK<^XtJTTJKT^ ГТГ* ТПЛЪЛ^ПТПЗЪАРГ-ПЧТКТ#! плгг^гх-11V1V; U,Xa'.LVHL 11LHV) Л ILXJiVj A ZillW цемеггпюпуццолановые, битумные, серные и прочие связующие. Однако остается не изученным еще одно перспективное направление — получение КСМ при высокотемпературной обработке. При таком способе пропитывающая матрица приобретает прочность за счет спекания материала.

При склеивании зерен круга того заполнителя достаточно прочным клеем может быть создан своего рода несущий скелет, который будет обеспечивать прочность полуфабриката. При изготовлении по каркасной технологии крупноразмерных изделий путем пропитки каркаса керамическим матричным составом повышенная прочность даст возможность перемещать их к обжиговому агрегату.

В работе [2] установлено, что введение плотных побочных продуктов промыш ленности в керамическую кирпичную массу улучшает ее сушильные свойства. Однако при добавлении в шихту подобных компонентов в значительных количествах снижается прочность полуфабриката. Менее жесткие требования к прочности высушенного материала матрицы при каркасной технологии позволяют использовать для матрицы составы с меньшим содержанием глинистого компонента и высоконаполненные глинистые композиции.

В качестве клея, склеивающего зерна заполнителя, в каркасных керамических материалах может применяться натриевое XI/TT ТТЬ^ГчР jnrpp.^- _nri П^ППП-ШННРР пи и итлт^* ?гкишт >!Vfl^lVVy<_ V Z '-■lAJLU ; X_TW-114^L*,LA.1.XJZ±Z,4,Vj ■_> Z ZU All .1 X^VIUAIVAI адгезивной способностью относительно различных материалов органической и неорганической природы. Данное стекло представляет собой коллоидный водный раствор силиката натрия, имеющий плотность 1,3— 1,5 при содержании воды 50 — 70 %. Термические превращения гидросиликатов натрия имеют ряд общих черт, приведенных в работе [4]. Удаление воды происходит в широком диапазоне температур вплоть до 300 — 350 °C. Процесс этот, как правило, многоступенчатый, с промежуточными полуаморфными фазами. Удаление конституционной воды сопровождается анионной поликонденсацией, называемой обычно полимеризацией. Так, двузамещенные ортосиликаты при нагревании в итоге превращаются в Na₂SiO₃ при температуре около 120 °C, одноэамещен-

ные ортосиликаты натрия полимеризуются до Na2Si2O5 в диапазоне температур 100 — 300 °C. Трехзамещенные ортосиликаты вначале распадаются на две фазы — Na2SiO3 и Na2Oj а выше 400 °C образуется бисиликат натрия: 2Na2SiO3 + + Na2O —> Na6Si2O7. Для отверждения жидкого стекла в его состав вводят отвердители: кремнефтористый натрий, вещества, содержащие двухкальциевый силикат (например, нефелиновый шлам — побочный продукт переработки щелочных алюмосиликатов на глинозем), и т. д. Твердение жидкостекольной связки может происходить и без отвердителей при ее сушке.

При постановке опытов, направленных на получение керамических каркасных материалов, для изготовления каркасов использовали керамзитовый гравий различных фракций, бой облицовочного кирпича, произведенного способом полусухого прессования, и бой плотноспеченного керамического материала (с водопоглощением 3 — 4 %), полученного в лабораторных условиях при обжиге в вакууме кирпичной глины.

При сушке каркаса, зерна которого склеены жидким стеклом без отвердителя, при температуре около 100 °C связка приобретает высокую прочность, превосходящую прочность зерен из боя кирпича, но опа не обладает водостойкостью. При дальнейшем быстром подъеме температуры до 140 °C и более связка интенсивно вспучивается при дегидратации продуктов твердения жидкого стекла и удалении воды в виде пара, приобретая вспененную структуру с крупным размером пор.

Склонность к вспучиванию уменьшается при добавлении в жидкое стекло трепела в количестве до 8 — 9 % (при объеме свыше 9 % клей приобретает консистенцию липкого теста и плохо перемешивается с зернами заполнителя). После термообработки до 370 °C он имеет вспученную мелкопористую структуру, а его прочность с увеличением содержания трепела возрастает.

При температуре более 600 °C силикатная связка обычно вступает во взаимодействие с добавками наполнителей с образованием соединений переменного 140

состава, трудно поддающихся идентификации. Нами выявлено, что, начиная с температуры 700 °C, жидкостекольная связка уплотняется со снижением пористости.

Собственная огнеупорность жидкого стекла составляет около 800 °C. Дефор-мативность склеенного каркаса из-за размягчения клеевой связки определяется многими факторами, например видом, формой и гранулометрическим составом используемого заполнителя, от которых зависит площадь контактов зерен каркаса, толщиной слоя клеевой связки и его модифицированием, поверхностной плотностью термообрабатываемого изделия (статической нагрузкой на основание).

При температурах обжига 950 — 1 000 °C жидкостекольная связка каркасов из плотноспеченной керамики приобретает плотную прозрачную структуру, блестящую поверхность, имеет большую прочность: при испытании на прочность разрушение идет по объему зерна, а не по клеевой связке. При выдерживании в воде в течение нескольких месяцев прочность ощутимо не уменьшается.

В отличие от плотной керамики зерна керамзитового гравия и боя кирпича склонны впитывать жидкое стекло при температурах обжига 950 °C и выше, в результате чего прочность клеевой связки ослабевает. При прочих равных условиях зерна каркаса в виде щебня прочнее связываются на контактах, чем имеющие окатанную форму, из-за разницы в площади контактов.

Для пропитки каркасов использовали глинистые шликеры и составы на основе стеклобоя. Рассматривая взаимодействие глинистого компонента с силикатной связкой при высоких температурах (более 600 °C), необходимо отметить, что в системе AI2O3 — Na2O — SiO2 продукты этого взаимодействия не являются равновесными фазами и представлены преимущественно различными аморфными фазами переменного состава.

При использовании в каркасах немо-дифицированного жидкостекольного клея, обладающего незначительной водостойкостью при термообработке до 950 °C, пропитывающая матрица должна иметь малую влажность и процесс сушки должен про- исходить достаточно быстро для предотвращения размокания связки. В этом отношении предпочтительны матричные составы с повышенной влагоотдачей, например на основе тонкоизмельченных непластичных порошков (в отличие от составов с повышенным содержанием глинистого компонента). Но в то же время глинистая составляющая придает матрице повышенную прочность и вязкость соответственно в высушенном состоянии и при обжиге. Отрицательным моментом здесь можно назвать повышенную усадку глинистых составов при обжиге.

У каркасов, пропитанных матрицей на небольшую глубину только с лицевой поверхности, основной объем не будет подвергаться воздействию влаги. Внешний вид изделия с каркасом из керамзитового гравия на жидкостекольной связке и керамическим покрытием на основе кирпичной глины представлен на рис. 1. Данная технология эффективна при изготовлении плиток, отличающихся повышенной адгезией к раствору соединительной прослойки за счет механического зацепления крупнопористой стороны [ 1 ]. Получение таких изделий возможно и на плотных заполнителях. На рис. 2 показан образец каркаса из боя кирпича с лицевым покрытием, в котором в качестве связки и лицевого покрытия использован керамический материал, произведет 1ый путем спекания состава на основе глинистого компонента.

Рис. 1. Вид каркасного композита с заполнителем из керамзитового гравия и лицевым покрытием

Рис. 2. Вид каркасного композита с заполнителем из боя кирпича и лицевым покрытием

Определяющим условием при выборе матричных составов является минимальная усадка при сушке и обжиге. Компоненты составов подбирали таким образом, чтобы максимальная температура обжига не превышала 900 ° С. Исходя из этого были опробованы матричные составы двух видов: на основе тонкоизмелъченных отходов тарного стекла с добавкой газооб-разователя (состав № 1) и из смеси того же стекла, но более грубого помола с глиной и наполнителем (состав № 2). В составе № 1 в качестве газообразователя использовали доломит. Предполагалось за счет вспучивания матричного состава при обжиге компенсировать его усадку, вызванную спеканием материала. В составе № 2 уменьшение усадки матрицы при спекании обеспечивалось за счет использования стекла более грубого помола в смеси с тонкодисперсной добавкой — трепелом. Глинистый компонент вводился в оба состава в качестве технологической связки для повышения прочности матрицы в период сушки и в высушенном состоянии. Количество воды, добавляемой в смесь сухих компонентов, принималось из расчета обеспечения достаточной подвижности массы при заполнении ей пустот между зернами каркаса.

Образцы изготавливались в разборной, металлической цилиндрической форме без дна диаметром 50 и высотой 50 мм. Для склеивания зерен каркаса перед пропиткой его матричным составом применялась жидкостекольпая композиция., составленная из смеси натриевого жидкого стекла и трепела в количестве 8 % от массы жидкого стекла для уменьшения вспучивания клеевой связки при термообработке и повышения ее прочности. В качестве материала для изготовления каркасов использовали керамзитовый гравий двух фракций: для пропитки матричным составом № 1 — фракция 10 — 15 мм, для пропитки матричным составом № 2 — фракция 5—10 мм.

Для склеивания заполнителя каркаса применялось такое количество связующего, которое обеспечивало качественное обволакивание им зерен заполнителя. Это количество устанавливалось путем проведения предварительных опытов. После перемешивания связующего с заполнителем производилась его укладка в форму, установленную на ровное металлическое основание. Перед укладкой основание и внутренняя поверхность формы выкладывались бумагой для предотвращения прилипания клеевой связки к основанию и поверхности формы.

Сушка велась при температуре около 100 °C до приобретения связкой необходимой прочности. После этого форма с каркасом устанавливалась на гипсовую доску, находящуюся на площадке вибратора, и при включенном вибраторе сверху на каркас выливался предварительно приготовленный матричный состав.

Учитывая хорошую влагоотдачу материала матрицы, сушка залитого ею каркаса проводилась по ускоренному режиму при температурах, не превышающих 100 °C. Причем после приобретения матрицей в процессе сушки достаточной прочности пропитанный каркас извлекался из формы и дальнейшая досушка осуществлялась без формы.

Было выявлено, что клеевая связка пропитанных каркасов, извлеченных из формы после 2,5 ч сушки, характеризовалась остаточной прочностью, обеспечивающей связность всего материала в целом, несмотря на присутствие остаточной влаги в матрице.

В процессе досушки извлеченных из формы образцов на открытых боковых и верхней поверхностях отмечено формирование тонкого слоя новообразований се роватого цвета, который после полного высушивания приобретает повышенную прочность по сравнению с высушенным матричным материалом, расположенным во внутреннем объеме (это своего рода упрочняющая оболочка). На нижней поверхности образцов, соприкасающихся с гипсовой доской, такой поверхностный слой не образуется.

После высушивания образцов до удаления остаточной влаги проводили их обжиг. Максимальная температура обжига составляла 850 и 900 °C соответственно для образцов с матричным составом № 1 и № 2. Вид полученного образца с матричным составом № 1 показан на рис. 3.

Рис. 3. Каркасный материал с матрицей на основе гонкоизмельченного стекла с газообразователем

Материал характеризуется высокой прочностью, имеет среднюю плотность 790 кг/м3, водопог лощение после 30 мин кипячения в воде — 26,0 — 26,5 %. Отмечается отсутствие усадки. В нижней части образец несколько расширен из-за некоторого перемещения материала матрицы к основанию вследствие снижения вязкости матричного состава при максимальной температуре обжига.

В образце, полученном с применением матричного состава № 2 (рис. 4, вид снизу), видны выступающие из матрицы зерна каркаса, что объясняется частичной пропиткой каркаса матрицей у основания образца. Результаты исследования свидетельствуют, что матрица спеклась до высокой степени твердости с очень прочной

Рис, 4. Каркасный материал с матрицей на основе стекла грубого помола с добавками трепела и глинистого компонента

адгезией к зернам каркаса. Отмечается некоторое выступание зерен каркаса над поверхностью спеченной матрицы из-за ее усадки. В пределах точности измерений усадка не зафиксирована. Материал имеет среднюю плотность 1 100 кг/м3, водопо-глощение — в пределах 14,0 — 16,0 %.

Таким образом, в результате выполненных исследований выявлены основные технологические режимы и оптимизированы составы высоконаполненных керамических каркасных материалов.