Технологии крупноразмерных керамических изделий

В настоящее время осуществляется массовое производство мелко- и среднеразмерных керамических изделий: кирпича и пустотелых камней. Вме­сте с тем известно, что ранее (начало века) изготавливались среднеразмерные элементы покрытий. Они формовались по бетонной технологии. Прогресс в области цементных изделий приостановил работы в данном направлении. Однако попытки различным образом увеличить размеры изделий как с ис­пользованием мелкоразмерных керамических изделий, так и на основе высо-коотощенных глиняных масс продолжались.

Кирпич - мелкоштучное изделие, поэтому процесс возведения стен из него очень трудоемок, выполняется вручную, так как плохо поддается меха­низации. Логичным решением этой проблемы явилось производство крупно­размерных изделий на его основе. В середине XX в. при возведении кирпич­ных стен стали применяться виброкирпичные панели. Впервые изготовление кирпичных панелей было освоено в Швейцарии в начале 50-х годов. Вскоре они стали применяться и в других странах Западной Европы: Франции, Ита­лии, Испании, Швеции. К недостаткам следует отнести необходимость уве­личения армирования сооружений, исходя из транспортных и монтажных на­грузок. Отсутствие экономической целесообразности приостановило работы в данном направлении, а в дальнейшем строительная индустрия от этого отошла.

В высокоразвитых странах начали изготовление крупноразмерных кера­мических изделий методом экструзии. Ведущие фирмы - производители обо­рудования для производства кирпича (Келлер, Серик, Ажемак, Морандо, Хендле и др.) разработали конструкции ленточных прессов, позволяющих экструзионно формовать крупноразмерные керамические изделия. Данные фирмы решили задачи снижения неравномерных усадочных деформаций ма­териалов крупноразмерной керамики при сушки и обжиге. Во Франции полу­чены пустотелые керамические элементы размерами 2600 х 600 х 3000 мм с 7-9 рядами узких пустот, в Германии - пустотелые керамические элементы «Plankensiegel» длиной 2700-3600, шириной 600-1200 и толщиной 50-300 мм с содержанием пустот около 50%, прочностью при сжатии 2,5-3 МПа. Япон­ская фирма «Otsukachemicco» разработала технологию облицовочных пане­лей размером 3000 х 600 х 25 мм.

В начале 80-х годов в Санкт-Петербурге по постановлению правительст­ва было создано научно-проектно-строительное объединение [НПСО] «Кера­мика». Основной задачей НПСО являлась разработка технологии производст­ва отечественных крупноразмерных изделий. Однако в связи с отсутствием разработок по снижению неравномерных усадочных деформаций материалов при сушке и обжиге устранить дефекты изделий не удалось. Многолетние

небезуспешные попытки решения вопросов изготовления крупноразмерных керамических изделий с привлечением ЦНИИСК им.Кучеренко, СПбГАСУ и ряда других организаций пока не завершились результатами, достаточными для начала массового производства.

Значительные материалоемкость и энергоемкость производств крупно­размерных керамических изделий по технологиям западных фирм в послед­ние годы привели к снижению их эффективности. Наметился отток к произ­водству кирпича и керамических камней.

Другим направлением получения крупноразмерных керамических изде­лий является прямое изготовление их на основе применения элементов бе­тонной технологии. Первые керамические блоки были изготовлены доцентом СПбГАСУ Ткаченко Я.Н. в 1960 г. на 1-м кирпичном заводе г. Санкт-Петербурга. В 1961 г. на одном из заводов г. Москвы изготовлены керамиче­ские изделия размером 3000 х 1100 х 400 мм, средней плотностью 1300-1500 кг/м³ и прочностью 5,5-12 МПа. Эти работы не получили дальнейшего раз­вития из-за невозможности устранения большого количества трещин на по­верхности изделия, возникающих вследствие неравномерных усадок при сушке и обжиге. В полупромышленных условиях высушить и обжечь удалось лишь блоки с максимальным размером 800 х 400 х 400 мм. Трудности объяс­няются тем, что в составах было невысоко содержание грубозернистого ком­понента.

В Краснодарском филиале ВНИИмонтажспецстроя Прожога В.Т. разра­ботал технологию изготовления крупноразмерных керамических изделий с применением вибрационного метода уплотнения высокоотощенных керами­ческих масс. Она позволила на базе использования легкоплавких глин в каче­стве связки и разного рода пористых заполнителей (керамзита, аглопорита, туфа и др.) получать крупноразмерные изделия. Они были легки, удобны в монтаже, но имели низкую прочность - 3,5-6 МПа. Армирование изделий осуществлялось через каналы, заполняемые впоследствии цементным рас­твором. Эта технология имела невысокую технико-экономическую эффек­тивность, так как искусственные пористые заполнители, составляющие ос­новной объем изделий, подвергались вторичному обжигу.

Освоение технологии крупноразмерных керамических изделий, основан­ной на экструзионном способе формования, учитывая сегодняшний уровень развития отечественной строительной индустрии и кризисное положение экономики, в ближайшие годы не представляется возможным.

Наиболее реальным технологическим направлением получения крупно­размерных керамических изделий является направление, основанное на стыке технологий бетона и керамики. В качестве материалов-отощителей целесооб­разно использовать попутные продукты.

Основными материалами следует рассматривать пористые шлаки, шла­ковую пемзу. Эффективность их применения в материалах на портландце-ментном связующем невысока. У заполнителей из шлака и шлаковой пемзы взаимодействие с портландцементом ослаблено в зоне расположения стекло-фазы. Глиняное связующее, проникая в поверхностных слоях в открытые по­ры шлака и шлаковой пемзы, повышает прочность корковых частей. Спека­ние в процессе обжига происходит по площадям всех компонентов, в том числе стеклофазы шлака.

Формирование плотных упаковок заполнителей в материале на глиняном связующем, приготавливаемом и уплотняемом по бетонной технологии, име­ет те же, что и в технологии легкого бетона, трудности. Основными из них являются дробимость заполнителей в процессе приготовления, расслоение между ними и растворной составляющей при уплотнении. Проблемы произ­водства как керамических, так и легкобетонных изделий на пористых запол­нителях связаны с повышенным водосодержанием смесей, быстрым измене­нием реологических свойств, вызванных водопоглощением заполнителей.

В периоды предварительной выдержки и сушки соответственно легкобе­тонные и керамические изделия освобождаются от свободной воды затворе-ния, набирают прочность, требуемую для восприятия температурных перепа­дов. Использование плотных упаковок пористых заполнителей снижает со­держание растворной составляющей, создает равномерную, плотную систему демпферов, снижающих напряжения, останавливающих движение трещин. При переходе от цементного к глиняному связующему эффективность при­менения плотных упаковок резко увеличивается.

По взаимоувязанным зависимостям А.И.Августиника, А.В.Лыкова, А.Ф. Чижского в основном и защитном слоях определяется начальная влажность U₀=B/(G₃+C+B), критические перепады U_K=U-U_П, модули критических от­клонений

М_кр=U_о-U_ку/U-U_п, (4.23)

где В - водосодержание масс, м³;

G - содержание заполнителей, м³;

С - содержание связующего, м³;

U - значение влажности на поверхности или границе слоев; Ику - значение влажности конца усадки; Un - значение влажности на поверхности или границе слоев.

Приведение в соответствие минимально допустимого времени первого и второго периодов в основном и защитных слоях с граничными значениями и между собой выполняется корректировкой состава, изменением температуры

сушки. Регулирование влагопроводности материала производится по зависи­мости:

а'= 10^-4 · [0,077 + (1,05 + 0,0077 · G₃ + 0,00235 · t^1.38_м · d_cp)· t^1.5_м · 10^-2]·kΔP, (4.24)

где t_м - температура материала в период сушки, °С;

d_cp -средний диаметр частиц заполнителей, м;

к - коэффициент, зависящий от ΔР;

ΔР - отклонение давления от атмосферного, МПа.

Повышение влагопроводности материала достигается увеличением содержания отощителя, сушкой в вакууме. Комплексное применение данных способов позволяет снижать усадку материала до 10 раз и доводить ее до 1%, обеспечивать высокое качество керамических изделий, в том числе глазурованных.

Повышение степени насыщения материалов заполнителями и мик­ронаполнителями, водоснижение, предварительный и форсированный разогрев позволяют более интенсивно прикладывать температурные воздействия, сокращая при этом их продолжительность.

Углубленные исследования процессов сушки и обжига на основе дила­тометрических измерений линейных размеров отдельно связующего, запол­нителей в нем, полученны креплением датчиков жестко к заполнителям, а также с использованием армирующих волокон к связующему. Усадка ото-щенной добавками глины с пониженным водосодержанием не превосходит допустимых значений. Экспериментальные исследования показали, что оп­тимальная концентрация пористых частиц в единице объема связующего должна быть такова, чтобы расстояние между ними не превышало 0,2 мм.

Снижение дефектности структуры материалов при применении плотных упаковок заполнителей, микронаполнителей, уменьшении водосодержания объяснено рассмотрением движения слоев материала в процессе тепловых воздействий с разрушением перегородок между капиллярами или сфериче­скими полостями на основании закона трения Максвелла и гипотезы Ньюто­на. Удельная сила внутреннего трения g найдена в зависимости от расстояния между слоями г, площади контакта слоев S, динамической вязкости материа­ла р., предельного напряжения сдвига τ₀

g=τ_o + μ[(dV)/(dr)]S, (4.25)

Разрушение перегородок между двумя капиллярными или сферическими полостями, представленными круглыми пластинами переменной толщины, рассмотрено на наиболее утонченных участках, на которых можно принять толщину пластины постоянной. Представленный баланс сил на участке раз-

рыва при условии равномерного распределения давления внутри поры имеет вид

p_oвg(b/d)=gd, (4.26)

где р₀ - давление внутри поры, МПа;

в - половина ширины участка разрыва, м;

d - половина толщины пластины, м.

Предложена зависимость, показывающая взаимосвязь давления внутри пор в процессе трещинообразования с вязкостью, предельным напряжением сдвига и структурой материала:

ρ_о = μ{τ_od/ μ[(dU)/(dr)]S + 1}[(dU /(dr))]S /[btg(b/d)], (4.27)

Применение плотных упаковок заполнителей и микронаполнителей, спо­собов уменьшения водосодержания и водомиграционных процессов позволя­ет снизить температуру обжига керамики на 150-200 °С, повысить темпе­ратуру тепловой обработки бетонов до 95-100 °С, сократить продолжитель­ность процессов сушки, обжига и тепловой обработки до двух раз, суммар­ные усадки материалов - до 10 раз.

Армирование крупноразмерных обжигаемых изделий при их производ­стве с помощью мощных ленточных прессов в странах Западной Европы осуществляется путем установки арматурных стержней в специальные пусто­ты после обжига изделий. Для сцепления арматуры с массивом изделий ис­пользуются цементно-песчаные растворы, различные клеи. После обжиговая установка арматуры в тело керамических изделий удлиняет общий техноло­гический цикл. Существует множество способов, в том числе и рассмотрен­ных нами в разделе материалов на цементных связующих, ускорения процес­сов набора требуемой прочности.

Наряду с данным отработанным способом армирования крупноразмер­ных изделий в разработанной технологии проведены исследования, доказав­шие возможность при применении восстановительной среды в процессе об­жига, установки арматурных стержней или каркасов непосредственно в мас­сив изделий перед их формованием. При этом в процессе исследований уста­новлены режимы и технологические приемы сохранения арматурой прочно­стных свойств в процессе обжига и обеспечения требуемого сцепления с те­лом керамики.

Несмотря на то, что объем выпуска металлической арматуры и его спла­вов составляет примерно 95% общего объема выпуска металлических конст­рукционных материалов, ее использование для соединения с керамикой не оправдано долго сдерживалось. Проанализируем трудности соединения с ке­рамикой металлов с точки зрения некоторых свойств. Известно, что с точки зрения применения сталей в соединениях с керамикой особенно вреден угле-

род, точнее его твердые растворы - феррит и аустенит. Основные свойства железоникелевых и железоникелькобальтовых сплавов представлены в табл. 4.25.

Таблица 4.25 Свойства железоникелевых сплавов

Исследования по определению путей улучшения комплекса физико-механических свойств низкоуглеродистых сталей в целях их использования в металлокерамических изделиях показали значительную эффективность пред­варительного обжига в восстановительной атмосфере. Анализ эксперимен­тальных данных показал, что для сварки алюмооксидной керамики с черны­ми металлами и их сплавами температура должна составлять 1000-1300 °С.

Результаты исследований И.И.Метелкина свидетельствуют, что керами­ка, содержащая большое количество стеклофазы, лучше соединяется с метал­лом и при меньшей температуре, чем керамика, состоящая только из чисто оксида алюминия. Прочность сварного соединения на изгиб по различным данным колеблется от 100 до 200 МПа. При анализе принципов взаимодейст­вия металлов с керамикой установлено, что в одних случаях это осуществля­ется через оксиды, создаваемые на поверхности металла, а в других посред­ством замещения металлами элементов в оксидах керамики с образованием в зоне взаимодействия твердых растворов. В первом случае на поверхности ме­талла следует преднамеренно создавать тонкий слой оксида, как привило, низкой валентности, во втором — металл очищать от оксидных пленок, а в процессе сварки защищать от окисления. В связи с двумя принципами соеди­нения с керамикой металлов, взаимодействие последних, относящихся по строению к d-элементам (переходные металлы и медь) следует рассматривать через оксиды низкой валентности, a s и р-элементы (литий, берилий, магний и алюминий) - через реакции замещения.

Известно, что высокотемпературный нагрев металлической арматуры при обжиге приводит к изменению структуры металла и снижению его проч­ности. Причем величина воздействия температуры и обратимость данного воздействия зависят от первоначальной структуры металла. Так при нагреве до 400 °С предел текучести горячекатанной арматуры класса А-Ш уменьша­ется на 30%, классов А-П и A-I на 40 %, модуль упругости понижается на

15%, наблюдается ползучесть арматуры. Кроме того, при нагреве происходит отжиг и потеря наклепа арматуры, упрочненной холодным деформировани­ем, поэтому временное сопротивление у высокопрочной арматурной прово­локи снижается интенсивнее, чем у горячекатанной арматуры.

Характерна следующая особенность обратимости температурных изме­нений. После нагрева и последующего охлаждения тела керамики прочность горячекатанной арматурной стали восстанавливается полностью, а прочность высокопрочной арматурной проволоки лишь частично. Различие коэффици­ентов температурного расширения металла и керамики и связанные в связи с этим их деформации в процессе сушки и особенно обжига предопределили применение в технологии обжигаемых бетонных изделий арматуры только круглого, гладкого профиля.

Рассмотрение вопроса сцепления арматуры с телом керамики привело к необходимости определения скоростей окисления стали.

Значительное окисление стали при обжиге на воздухе, резко снижая прочность поверхностных слоев, не обеспечивает требуемой прочности сцеп­ления. Небольшое окисление стали арматуры не приводит к образованию на поверхности достаточного количества окислов железа, взаимодействующих с легкоплавким расплавом керамики. В табл. 4.26 приведены данные, получен­ные совместно с Гришиным В.В., Васиным А.П. и Носаревым А.Ф., измене­ний предела прочности при изгибе и предельных касательных напряжений образцов размерами 100x100x300 мм, армированных арматурной сталью A-I (Ст.З) диаметром 6 мм, обожженных при 980 °С.

Таблица 4.26

Значение предела прочности при изгибе армированной керамики - числи-тель, предельные касательные напряжения - знаменатель

Данные табл. 4.20 указывают на то, что интенсивное формирование кон­тактного слоя между арматурой и керамикой протекает при давлении газовой среды в печи 1 мм рт.ст. Для получения оптимальных количественных значе­ний окисления арматурной стали при обжиге свместно с Носаревым А.В. бы­ли проведены определения увеличения массы стали, результаты которых приведены в табл. 4.27.

Таблица 4.273

Увеличение массы стали (Δm, г/м²) в зависимости от времени и температуры изотермической выдержки при обжиге в вакууме (1 мм рт.ст) - числитель

и на воздухе - знаменатель

Результаты табл. 4.21 показывают, что для получения высокой прочно­сти сцепления арматуры и керамики необходимо, чтобы общее количество образовавшейся окалины составляло для Ст.З примерно 70-75 г/м².

Для определения прочности сцепления материала и арматуры при раз­личных связующих было изготовлено и испытано несколько серий образцов призм, размеры которых назначались в зависимости от марки материала и диаметра арматуры. Причем в каждой серии образцы формовались как на це­ментном связующем так и на глиняном.

В качестве заполнителя использовался керамзит. Составы подбирались таким образом, чтобы расходы связующего, марка стали и размеры арматур­ных стержней были равны. Отличия заключались в том, что в цементных ма­териалах использовались арматурные стержни периодического профиля, а в материалах на глиняной связке - гладкие. Изменения отношения прочностей сцепления арматуры с материалом на глиняном и цементном связующем представлены в табл. 4.28.

Таблица 4.28

Изменение относительной прочности сцепления арматуры с материалом на глиняном связующем R_r и цементном R_ц

Как видно из данных табл. 4.24, прочность сцепления арматуры с ма­териалом на глиняном связующем, как и ожидалось, будет ниже по сравне­нию с прочностью сцепления арматуры с материалом на цементном связую­щем. Однако величины снижения значительно меньше, чем при переходе с периодического профиля на гладкий у цементных материалов.

Арматурную сталь для обеспечения взаимного перемещения металла и керамики эффективно, как установлено в исследованиях, обрабатывать лег-ковыгорающими составами, например, битумными эмульсиями.

Отличия в коэффициентах температурного расширения металла и керамического материала с отощителями существенны. Близкие значения ко­эффициентов температурного расширения к керамике имеет стекло, поэтому в дальнейшем необходимы исследования эффективности армирования изде­лий стекловолокнами. При этом необходимо конечно учитывать, что стекло-волокнистой арматурой из-за ее достаточно высокой стоимости нельзя в на­стоящее время повсеместно заменить стальную арматуру. Она эффективна только при изготовлении изделий, в которых используются специфические свойства этой арматуры, выгодно отличающие ее от стальной. К таким свой­ствам следует отнести высокую огнестойкость, коррозионную стойкость, электроизолирующую способность, немагнитность, радиопрозрачность. Для обжигаемых керамических изделий возможно применение волокон, не те­ряющих своих свойств после длительного воздействия температуры порядка 850-1000 °С. Среди выпускаемых промышленностью данным условиям соот­ветствуют каолиновые, кварцевые, кремнеземистые и магнийалюмосиликат-ные волокна.

Создание на поверхности изделий защитных слоев на основе стекла реа­лизовано пока в виде коврово-мозаичных покрытий. Технология устройства данных слоев, как известно, достаточно трудоемка, а долговечность из-за большого количества швов недостаточна. Идея создания сплошного стекло­видного покрытия в заводских условиях давно привлекала внимание техноло­гов. Для реализации данной идеи Санкт-Петербургский ЗНИИЭП разработал способ плазменной обработки поверхностей бетонов на цементном связую­щем. Реализация данного способа встретила следующие трудности. В про­цессе мгновенного теплового удара кварцевый песок, расширяясь, нарушает целостность поверхностного слоя. Вторым негативным фактором является снижение плотности в оплавляемом слое из-за дегидратации цементного камня. Кроме того, негативное влияние оказывает и мгновенный тепловой удар, вызывающий большие температурные напряжения. Для снижения дан­ных отрицательных последствий в дальнейшем рекомендовалось применять подстилающие слои толщиной 20 мм с максимальным содержанием керами­ческого материала. Проведенными предварительными исследованиями уста­новлено, что в материалах на глиняном связующем данные отрицательные последствия плазменной обработки, как и ожидалось, значительно снижены. Однако в исследованиях было определено значительное количество газовых включений и пор в оплавляемом слое, недостаточная прочность сцепления с ним основной массы изделия.

Для устранения дефектов глазурованной поверхности ранее применялся способ двухслойного декорирования. Выход газов из толщи образцов, содер-

жащих шлаки, поризует глазурованную поверхность. Наличие подглазурного слоя снижает размеры газовой фазы и тем самым способствует ее проходу через поверхностные слои. В исследованиях, проведенных в СПбГАСУ с уча­стием автора, в качестве оптимального (по влиянию на качество лицевой по­верхности и на термостойкость изделий) был выбран состав подглазурного слоя, содержащий (масс, %): SiO₂ - 62,82; А1₂О₄ - 17,36; Fe₂O₃ - 0,91; СаО -4,15; MgO - 1,45; К₂О - 2,22; Na₂O - 4,26; В₂ - О₇ - 0,97; ппп-5,86.

Исследовалось влияние подглазурного слоя на белизну и характер газо­вой фазы глазури. Для ее изучения А.Парвезом был использован метод ком­пьютерного анализатора изображения. Показано снижение общей пористости глазури в 1,5-1,8 раза.

Кроме того, в исследованиях при использовании темноокрашенных масс на основе кембрийской глины нанесение подглазурного слоя с низким со­держанием красящих оксидов способствовало повышению белизны глазурно­го покрытия на 5-7%, а также улучшению цветовых характеристик глазурей светлых тонов.

Для получения глазурованных изделий различного назначения по поточ­но-конвейерной технологии исследовалось влияние толщины керамической основы, изменяемой в диапазоне от 0,5 до 10 см, на качество лицевой по­верхности. В результате было установлено: при использовании подглазурного слоя получается гладкая ровная поверхность, независимо от толщины образ­ца. При применении для покрытия только глазури наблюдалось ее впитыва­ние в пористый материал без образования ровной поверхности. Влияние двухслойного декорирования на физико-механические свойства изделий по­казано в табл. 4.29.

Таблица 4.29

Влияние двухслойного декорирования на физико-механические

характеристики изделий

На основании вышеизложенного можно утверждать, что двухслойное декорирование позволяет повышать качество отделки керамических ма­териалов, высоконасыщенных грубозернистыми попутными продуктами, свя­занными с выходом из материалов при обжиге большого количества газов. Сравнительные данные характеристик отделочных слоев при различных спо­собах их получения представлены в табл. 4.30.

Таблица 4.30 Показатели отделочного слоя при различных способах

Обжиг в вакууме создает возможности не только получения особо плот­ных изделий, но и резко улучшает качество отделочных слоев, снижая в них долю газовых включений, их средние размеры, повышая прочность сцепле­ния. Однако глазурование с ангобом при обжиге на воздухе позволяет полу­чать хорошие результаты, в связи с чем применение вакуума можно считать только желательным.

Степень защитного действия покрытий зависит от их паропроницаемо-сти, свойств поверхности по отношению к воде.

Изменения адгезионной прочности изучалось нами в зависимости от свойств материалов стены и покрытия. В качестве материала заполнителей применялся пористый и плотный шлак, трехфракционная смесь имела пус-тотность 25%. Растворная составляющая приготавливалась как на цементном, так и на глиняном связующем. В качестве мелкого заполнителя применялся дробленный шлак с размерами фракций 0,314-2,5 мм, его содержание со­ставляло 30% от объема связующего. В качестве материала подложки наряду со шлаком применялся керамзитовый песок с насыпной плотностью 820кг/м\

В исследованиях по определению адгезионной прочности, которую оп­ределяли методом отрыва шайбы, измерения производили тензодатчиками с помощью автоматического измерителя деформаций АИД-1м. Результаты ис­следований показывают, что снижение внутренних напряжений в покрытии

при одном уровне напряженного состояния системы «покрытие-подложка» приводит к значительному повышению адгезионной прочности. Глазурован­ные покрытия на керамических образцах имеют существенно меньшие на­пряжения по сравнению с используемыми также в исследованиях поливинил-ацетатными покрытиями на цементных образцах. Эксперименты показали, что решающее влияние на адгезионную прочность оказывают напряжения в подложке. При увеличении модуля упругости подложки адгезионная проч­ность покрытия уменьшается. Так, использование в материале подложки плотного шлака вместо пористого увеличивает напряжение и снижает адге­зионную прочность.

Поиск по сайту: