Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ДЕКОРАТИВНЫЙ КИРПИЧ НА ОСНОВЕ НИЗКОСОРТНОГО ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ

Трошкин А.В. 1 Батурин А.Г. 1 Налетов Н.В. 1 Никифорова Э.М. 1 Еромасов Р.Г. 1 Гриценко Д.А. 2
1 ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет»
2 ООО «Сибирский элемент»
Апробированы способы получения лицевых керамических изделий с применением как объемных, так и поверхностных способов формирования лицевой поверхности с разнообразной цветовой палитрой. Для получения лицевого кирпича с применением объемного способа формирования лицевой поверхности темно-красных и бордовых тонов исследованы отходы обогащения железных руд Абаканского месторождения после их двухстадийной сухой магнитной сепарации. Введение в керамическую шихту 20–30 мас. % «хвостов» обогащения железной руды позволяет расширить цветовую гамму керамического кирпича от интенсивно-красных до бордово-черных тонов. Достигнуто повышение прочности обожженных образцов на 60–80 % по сравнению с показателями заводских шихт. В качестве торкрет-масс выбраны составы, содержащие бой стекол различной цветовой гаммы при возможном сочетании стеклобоя с огнеупорной и керамзитовой крошкой. В качестве ангобных лицевых масс выбраны составы, содержащие бой стекла, огнеупорную беложгущуюся глину, кварцевый песок и оксиды Cr, Ti, Mn.
цветовая гамма
ангоб
торкрет
лицевой кирпич
водопоглощение
усадка
предел прочности при сжатии
спекание
оксид железа
объемное окрашивание
1. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Роль оксида железа в формировании фазового состава при обжиге плиток для полов на основе отходов топливно-энергетической промышленности // Материаловедение. – 2014. – № 7. – С. 42–46.
2. Добрынина Г.Г. Художественная керамика, Учебно-практическое пособие. – М.: Изд-во ВГУЭС, 2013. – 80 с.
3. Белявский В.В. Ангоб. Флюсный ангоб: учебное пособие / В.В. Белявский. – Витебск: Академия, 2007. – 65 с.
4. Столбоушкин А.Ю., Стороженко Г.И. Формирование ячеистозаполненной структуры керамических композиционных материалов (на примере железорудных отходов) // Вестник Тувинского государственного университета. Серия: Технические и физико-математические науки. – 2013. – № 3. – С. 47–58.
5. Пат. 2500647 Российской федерации, МПК С 04 В 33/132 Сырьевая смесь для изготовления стеновой керамики и способ ее получения / Столбоушкин А.Ю., Стороженко Г.И., Иванов А.И., Бердов Г.И.. Столбоушкина О.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет». – № 2012116133/03; заявл. 20.04.2012; опубл. 10.12.2013. Бюл. № 34.
6. Фомина О.А., Столбоушкин А.Ю. Формирование рациональной поровой структуры стеновой керамики из шламистых железорудных отходов // Строительные материалы. – 2015. – № 12. – С. 1–5.
7. Monteiro S., Vieira С. On the production of fired clay bricks from waste materials: A critical updateReview Article // Construction and Building Materials. – 2014. – Vol. 68. – P. 599–610.
8. Silva F.L., Araujo F.G.S., Teixeira M.P., Gomes R.C., Kruger F.L. Study of the recovery and recycling of tailings from the concentration of iron ore for the production of ceramic Review Article // Ceramics International. – 2014. – Vol. 40, Iss. 10, Part B. – P. 16085–16089.

В настоящее время архитекторы и дизайнеры охотно используют керамику в оформлении фасадов зданий в органичном сочетании с живой природой. Современная керамическая отрасль решает вопросы по организации выпуска лицевых керамических строительных изделий архитектурно-отделочного назначения, выполняющих одновременно конструктивные и декоративные функции.

Керамические изделия могут быть получены с применением как объемных, так и поверхностных способов формирования лицевой поверхности с разнообразной цветовой палитрой. Применение поверхностных приемов формирования декоративного покрытия торкретированием минеральной крошкой, ангобированием, двухслойным формованием, глазурованием требует использования вспомогательного оборудования, но при этом очевидны преимущества, связанные с существенной экономией материалов для формирования лицевого слоя. Получение лицевого кирпича методом объемного окрашивания достаточно легко вписывается в процессы действующих предприятий с незначительной их перестройкой, связанной с подготовкой дополнительных сырьевых компонентов, в том числе и промышленных отходов, и подачей в основную технологическую линию.

Материалы и методы исследования

Элементный состав исходных сырьевых материалов и отходов промышленности определяли рентгеноспектральным анализом на спектрометре Lab Center XRF-1800 Shimadzu (Japan). Фазовый состав материалов и спеченных масс определяли рентгенофазовым анализом на дифрактометре фирмы Shimadzu XRD-6000. Измельчение исходных сырьевых материалов осуществили на щековой дробилке ЩД–6. Фракционирование материалов проведено на ситовом анализаторе ВПТ-220. Для изготовления лицевого кирпича выбраны и исследованы легкоплавкий красножгущийся суглинок Кубековского месторождения и тугоплавкая светложгущаяся глина Кантатского месторождения. Химический состав исходных сырьевых материалов представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав сырьевых материалов, мас. %

Наименование отхода

Содержание оксидов, мас. %

SiO2

Al2O3

Fe2O3

FeO

CaO

MgO

TiO2

К2О

Na2O

прочее

Глина Кантатского месторождения

61,79

23,20

0,34

0,27

0,15

1,43

1,24

11,58

Суглинок Кубековского месторождения

56,40

13,80

5,78

7,18

2,30

1,90

1,25

12,39

«Хвосты» обогащения железных руд Абаканского месторождения

44,00

13,02

5,81

9,70

7,09

6,14

3,28

0,16

10,55

Результаты исследования и их обсуждение

Для получения лицевого кирпича с применением объемного способа формирования лицевой поверхности темно-красных и бордовых тонов исследованы отходы обогащения железных руд Абаканского месторождения после их двухстадийной сухой магнитной сепарации. Минералогический состав отходов представлен магнетитовыми, гематито-магнетитовыми, хлорито-магнетитовыми, кварц-карбонатомагнетитовыми ассоциациями.

Анализ химического состава отходов свидетельствует о значительном содержании в них оксидов железа, что и определяет целесообразность их использования при получении керамических стеновых материалов насыщенных бордовых темных тонов. Как следует из табл. 1, соединения железа в «хвостах» обогащения железных руд находятся как в закисной (FeO), так и в оксидной форме (Fe2O3). Известно, что оксиды железа являются одними из наиболее эффективных минерализующих добавок на стадии спекания керамики [1–2]. Их роль сводится, помимо образования железистых расплавов, к интенсификации процесса растворения кварца, росту кристаллов первичного муллита и, следовательно, формированию более совершенной структуры керамики с высокими эксплуатационными свойствами [1, 7–8].

С учетом известного факта, что соединения железа в оксидной форме в меньшей степени способствуют активизации процессов спекания керамических материалов [4–6], разработаны составы масс на основе комплексной добавки в виде «хвостов» железной руды и шлама газоочистки алюминиевого производства, содержащего углерод до 50–60 %. Углеродистая составляющая шлама способствует переходу оксида железа в закисную форму, реагирующую с аморфным кремнеземом с образованием железистых стекол, способствующих интенсивной цементации системы. Наличие в отходах низковязких минерализаторов определяет их значительное влияние на процессы образования железистых расплавов, а также формирования оптимальных кристаллизационных структур керамических масс при термической обработке. Многотоннажные отходы алюминиевого производства – шламы газоочистки представлены тонкодисперсным материалом черного цвета с размером частиц от 0,071 до 1,0 мм и состоят из метаморфизованных угольных частиц графита, криолита, хиолита, корунда, флюорита, нефелина, диаспора и др.

В табл. 2 приведены составы масс с отходами промышленности и механические свойства обожженных образцов.

Таблица 2

Составы масс, цвет спеченного черепка и физико-механические свойства обожженных образцов на основе кубековского суглинка

Цвет черепка

Количество и вид отходов, мас. %

Прочность при сжатии, МПа при температурах обжига, °С

900

950

1000

1050

Темнобордовый

«хвосты» железных руд 30

12,8

14,9

21,3

22,4

Бордовочерный

«хвосты» железных руд 25, шлам 5

19,4

26,8

42,3

53,4

Бордовый

«хвосты» железных руд 25, уголь 5

17,5

22,0

37,0

44,5

В качестве основы для получения лицевых изделий поверхностным способом торкретирования лицевой поверхности выбран состав заводской шихты предприятия «Сибирский элемент» г. Красноярска (мас. %): суглинок кубековский-80, глина кантатская-20. Без декорирования поверхность обожженного керамического кирпича характеризуется невыразительным, зачастую пятнистым видом. Спеченная структура основы для торкретирования представлена на рис. 2 (а) и характеризуется значительной открытой пористостью, что делает перспективным выбранное направление по нанесению защитного декоративного слоя на ложковую и тычковую поверхности с целью снижения на них открытой пористости.

В качестве торкрет-масс выбраны составы, содержащие бой стекол различной цветовой гаммы при возможном сочетании стеклобоя с огнеупорной и керамзитовой крошкой [2, 3].

Отдельные составы экспериментальных торкрет-масс приведены в табл. 3. В состав массы для торкретирования вводили крошку с зернами фр. –5 + 2 мм и получали крупнозернистую грубошероховатую фактуру, при зернах фр. –2 + 1 мм – среднезернистую шероховатость, а при зернах фр. –1 + 0,5 мм – сравнительно гладкую поверхность со сплошным покрытием.

Экспериментальная фактурная поверхность отдельных торкретированных образцов после обжига приведена на рис. 1.

Таблица 3

Составы фактурного слоя

Компоненты

Количество, мас. %

Огнеупорная крошка

Бой легкоплавкого стекла молочного цвета

80

20

Огнеупорная крошка

Бой легкоплавкого темно-зеленого стекла

50

50

Керамзитовая крошка

Бой легкоплавкого стекла молочного цвета

50

50

Керамзитовая крошка

Бой легкоплавкого темно-зеленого стекла

80

20

tr1a.tif tr1b.tif tr1c.tif tr1d.tif tr1e.tif

Рис. 1. Фактурные поверхности торкрет-масс

tr2a.tif tr2b.tif tr2c.tif tr2d.tif tr2e.tif

а б в г д

Рис. 2. Структура спеченной основы заводской массы ООО «Сибирский элемент» (а), декоративного слоя торкрет-массы фракции –1,0 + 0,5 мм (б), фракции –5,0 + 2,0 мм (в, д), фракции –5,0 + 0,5 мм (г)

tr3a.tif tr3b.tif

а б

Рис. 3. Зависимость толщины покрытия от усилия вдавливания и размера фракции торкрет-порошка: а – фр. –5,0 + 2,0 мм, б – фр. –2,0 + 1,0 мм

Таблица 4

Водопоглощение и усадка в зависимости от концентрации стеклобоя

п/п

Содержание стеклобоя, %

Водопоглощение W, %

Усадка L, %

Воздушная

Огневая

Общая

1

0

3,7

11,3

4,44

15,34

2

5

1,9

10,9

4,9

16,2

3

10

1,4

10,7

5,1

16,1

4

15

0,7

10,7

5,3

15,8

5

20

0,5

9,9

5,4

15,8

6

25

0,4

9,7

5,9

15

Установлена экспериментальная зависимость толщины декоративного торкретированного слоя в зависимости от размера фракций торкрет-массы и удельного усилия вдавливания торкрет-порошка (рис. 2, б–д; рис. 3, а–б).

В качестве ангобных лицевых масс выбраны составы, содержащие бой стекла, огнеупорную беложгущуюся глину Кантатского месторождения, кварцевый песок и оксиды Cr, Ti, Mn [3].

Исследованы процессы спекания ангобных масс с использованием различного содержания стеклообразующего компонента. Показатели водопоглощения и усадки в зависимости от концентрации стеклобоя приведены в табл. 4 и на рис. 4 (а–в). Содержание песка в составах ангобных масс поддерживалось на фиксированном уровне и составляло 10 масс. %.

tr4a.tif tr4b.tif

а б

tr4c.tif

в

Рис. 4. Зависимость водопоглощения (а), воздушной усадки (б), огневой усадки (в) от концентрации стеклобоя

tr5a.tif tr5b.tif tr5c.tif tr5d.tif

а б в г

Рис. 5. Основа ангоба (а) и фактурные поверхности ангобированных образцов с добавлением оксида Cr (б), оксида Mn (в), оксида Ti (г)

Выявлена закономерность снижения водопоглощения с увеличением концентрации стеклобоя в керамической массе, что свидетельствует о реализации в них жидкофазного механизма спекания, сопровождающегося образованием расплава при достаточно низких температурах. Данная закономерность подтверждается увеличением огневой усадки с вводом стеклобоя. Признано целесообразным введение в ангобные массы 10 мас. % стеклобоя, обеспечивающих образование жидкой фазы при низких температурах и достаточных объемах. Выявлена возможность регулирования цветовой гаммы ангобного покрытия, изготовленного из низкосортного глинистого сырья с целью улучшения декоративных свойств керамического кирпича за счет ввода отдельных оксидных компонентов.

Экспериментальная фактурная поверхность отдельных ангобированных образцов после обжига приведена на рис. 5.

Использование разнообразных красящих оксидов в составе ангобного покрытия позволяет регулировать цветовую гамму лицевого слоя керамического изделия.

Заключение

Керамические изделия с разнообразной цветовой палитрой фактурного слоя получены с применением как объемных, так и поверхностных способов формирования лицевой поверхности. Введение в керамическую шихту 20–30 мас. % «хвостов» обогащения железной руды позволяет расширить цветовую гамму керамического кирпича от интенсивно-красных до бордово-черных тонов, при этом достигнуто повышение прочности обожженных образцов на 60–80 % по сравнению с показателями заводских шихт. Перспективно нанесение ангоба и торкрета на свежесформованные изделия с целью получения на стадии обжига декоративных покрытий широкой цветовой гаммы и фактурной поверхности.


Библиографическая ссылка

Трошкин А.В., Батурин А.Г., Налетов Н.В., Никифорова Э.М., Еромасов Р.Г., Гриценко Д.А. ДЕКОРАТИВНЫЙ КИРПИЧ НА ОСНОВЕ НИЗКОСОРТНОГО ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ // Фундаментальные исследования. – 2017. – № 4-1. – С. 77-82;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41438 (дата обращения: 20.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074