Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ПЕПТИЗАЦИЯ ГЛИНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ В ТЕХНОЛОГИИ ПЕНОКЕРАМИКИ

Дмитриев К.С. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
Работа представляет собой исследование свойств пептизирующих добавок на реологические показатели глиняных шликеров. За основу был принят трехфакторный эксперимент с изменением значения каждого фактора на двух уровнях. Исследование позволило рассчитать уравнения регрессии для заданных показателей (относительной вязкости шликера, периода коагуляции, прочности на сжатие, средней плотности и воздушной усадки) пенокерамического сырца и выявить закономерности модели поведения процессов пептизации глинистых шликеров на прочностные свойства высушенных пенокерамических образцов. Предложена теоретическая модель механизма взаимодействия глинистых минералов с электролитами. В результате экспериментов получены новые результаты апробации пенокерамической технологии с учетом влияния пептизирующих добавок на конечные свойства изделий. Установлено положительное влияние электролитов на создание пористой структуры повышенной прочности, позволяющей получить готовые изделия с более высоким коэффициентом конструктивного качества.
коагуляция
шликер
пенообразователь
глина
1. Завадский В.Ф., Путро Н.Б., Максимова Ю.С. Поризованная строительная керамика // Строительные материалы. – 2004. – № 2. – С. 50–51.
2. Кролевецкий Д.В. Пенокерамические стеновые и теплоизоляционные изделия на основе легкоплавких глин: дис. канд. тех., наук. – М., 2005. – С. 39–40.
3. Кукса П.Б., Акберов А.А. Высокопористые керамические изделия, полученные нетрадиционным способом // Строительные материалы. – 2004. – № 2. – С. 34–35.
4. Роговой М.И. Технология искусственных пористых заполнителей и керамики: учебник // Репринтное воспроизведение издания 1974 г. – М.: ЭКОЛИТ, 2011. – 320 с.
5. Хузагарипов А.Г., Габидуллин М.Г. Регулирование структуры сырца при производстве пенокерамики комплексными стабилизаторами // Академические чтения РААСН «Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения». – Пенза–Казань. 2006. – С. 436–437.

Керамические кирпичи и камни как основные стеновые материалы используются повсеместно в частном и многоэтажном строительстве. Обожжённые изделия из глины обладают долговечностью, огнестойкостью, экологичностью, архитектурной выразительностью и необходимыми физико-механическими показателями, уступая по уровню комфорта жилья только стене из деревянного бруса [1].

Технология изготовления плотных и облегченных керамических изделий известна давно, но для обеспечения современных теплофизических показателей зданий необходимо использовать эффективные утеплители. Самыми популярными среди них являются два представителя – минеральная вата и пенополистирол. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Но в качестве утепления стен зданий предпочтительно используется минеральная вата. Так как этот материал нельзя подвергать прямым атмосферным воздействиям, строителям приходится использовать различные отделочные системы фасадов, применение которых ведет к неминуемому усложнению строительного производства, по сравнению со стеной, выполненной только из керамического кирпича или камня.

Для обеспечения однородности показателей тепло- и массопереноса стены оптимально возводить ее из родственных строительных материалов, т.е. в добавление к плотному керамическому кирпичу использовать высокопористую керамику [3].

Анализ литературных и исследовательских данных показывает перспективы создания пористой структуры керамического черепка методом введения в шликер пены, основываясь на современных достижениях производства пенобетона и керамической отрасли.

Целью работы является определение зависимости значения вязкости глиняной суспензии на прочностные показатели пенокерамического сырца. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

– анализ особенностей процессов пептизации глиняных суспензий;

– установление взаимосвязи степени пептизации на показатели прочности на сжатие пенокерамических сырцов.

Выбор и характеристики исходных сырьевых материалов

Основные требования к глинистому сырью для получения бездефектных пенокерамических изделий: легкоплавкость и высокая способность к коагуляции [2]. С учетом этих факторов для исследования были отобраны 2 вида глинистого сырья, а именно: глина боровичско-любытинская (Новгородская область) и кембрийская глина (Ленинградская область).

Химический состав используемых глин приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав глинистого сырья

№ п/п

Наименование глины

Содержание оксидов, %

SiO2

Al2O3 + TiO2

Fe2O3

CaO

MgO

Na2O + K2O

п.п.п

1

Боровичско-любытинская

55,34

17,70

7,29

4,53

2,42

4,32

7,99

2

Кембрийская

61,10

17,92

6,30

1,15

3,64

5,36

4,53

 

При изготовлении пенокерамических изделий применялись следующие добавки к основному глинистому сырью:

– натриевое жидкое стекло (электролит);

– «ПБ-2012» (синергетическая смесь анионактивных ПАВ);

– бой керамического кирпича с максимальным размером зерна 0,125 мм (наполнитель).

Особенности пептизации глинистых суспензий

На первом этапе распада глинистой частицы происходит ее набухание, при котором молекулы воды расклинивают первичные глинистые агрегаты. По мере увеличения толщины водной оболочки межмолекулярные силы сцепления уменьшаются, ослабляя связи между отдельными зернами частицы. Далее внешние оболочки глиняных частиц удерживаются не за счет межмолекулярного притяжения, а силами капиллярного давления. При полном заполнении пор водой прекращается действие сил капиллярного давления, и зерна вблизи друг друга начинают свободно перемещаться в воде – этап полного размокания глины. Процесс размокания берет начало с поверхности глиняного агрегата, наружные слои которого отделяются от его поверхности из-за напряжения скалывания. При этом обнажаются новые поверхности для дальнейшего взаимодействия с водой. Чем интенсивнее механическое воздействие на систему «глина – вода», тем интенсивнее происходит размокание. Подогретая вода затворения также ускоряет этот процесс, проникая на большую глубину глиняной частицы [4].

Интенсивность размокания имеет решающее значение для создания однородных глиняных суспензий. Особенно большое значение в системе «глина – вода» оказывает присутствие пептизирующих (разжижающих) добавок-электролитов, выполняющих две основные функции: ускорение распада глинистых агрегатов на элементарные частицы и получение шликера требуемой текучести при минимальном водоглиняном отношении [5].

Схематичное приближение механизма взаимодействия глинистых минералов с электролитами можно представить следующим образом. Глинистая частица имеет отрицательный заряд, который компенсирован катионами, присутствующими как в воде, так и в глинистой породе. Адсорбированные катионы, находясь на поверхности глинистого зерна, образуют внешнюю оболочку двойного электрического слоя. Также катионы располагаются и на некотором удалении от поверхности, создавая диффузный слой, состоящий из комплекса сорбированных катионов. Последние окружены связанной водной оболочкой в отличие от оболочки катионов у поверхности глинистого зерна, которая образует прочно связанную практически неподвижную воду.

Наиболее распространенные катионы, составляющие сорбированный комплекс в глинах – Ca2+, которые связывают отдельные зерна в слипшиеся (агрегированные) глинистые частицы.

При введении в глинистую суспензию натриевого жидкого стекла (Na2SiО3) происходит диссоциация его молекулы на Na+, Na+ и (SiO3)2–. Катион Na+ начинает вытеснять катионы Ca2+ из сорбированного комплекса, замещая в основном катионы диффузного слоя и в малой степени катионы Ca2+ поверхностного слоя. В глинистом зерне возникает избыточный отрицательный заряд при каждом замещении двухвалентного Ca2+ одновалентным Na+. Если такое замещение произошло на границе раздела двух слипшихся глинистых зерен, то они отталкиваются друг от друга из-за возникших одноименных некомпенсированных зарядов. Таким образом, происходит процесс разъединения глинистой частицы на отдельные элементарные зерна под воздействием на нее пептизирующих электролитов [4].

Свободный Ca2+ перемещается за пределы диффузного слоя и взаимодействует с анионом (SiO3)2– по реакции (1):

Ca2+ + (SiO3)2– = CaSiO3. (1)

Кремнекислый кальций нерастворим в воде и освобождает гидратную оболочку связанной воды Ca2+, выпадая в осадок. Такое увеличение свободной воды за счет уменьшения связанной разжижает глинистую суспензию и при заданном водоглиняном отношении она обладает большей текучестью.

Стоит отметить, что процесс пептизации с увеличением содержания электролита продолжается до определенного момента. Два катиона Na+ замещают соответственно два катиона Ca2+, один из которых выпадает в осадок, а второй остается в суспензии, создавая вокруг себя новую гидратную оболочку из свободной воды. По мере увеличения свободных Ca2 + количество свободной воды будет уменьшаться, приводя к увеличению вязкости суспензии. Кроме того, при высоких концентрациях электролитов уменьшается гидратная оболочка связанной воды, и глинистые частицы начинают коагулировать, сковывая в межзерновых пустотах свободную воду. Вода более не может разжижать суспензию, глинистые агрегаты укрупняются и уменьшают текучесть. В итоге при малых концентрациях электролита доминируют факторы увеличения свободной воды в глинистой суспензии, а при высоких – связанной и защемленной в пустотах коагулированных частиц.

Моделирование составов пенокерамических масс

Для подбора состава пенокерамических смесей используется трехфакторный эксперимент с изменением значения каждого фактора на двух уровнях. Эксперимент позволяет построить уравнения регрессии для заданных показателей пенокерамического сырца: относительной вязкости шликера (η), периода коагуляции (∆tкоаг), прочности на сжатие (Rсж), средней плотности (ρср) и воздушной усадки (Ув) высушенных пенокерамических образцов.

Через 4 часа после формования образцы-балочки (40×40×160 мм) освобождаются от стенок формы, предварительно выдерживаются при комнатной температуре 24 часа и затем подвергаются тепловой обработке в сушильном шкафу с постепенным поднятием температуры до 80 °С. Шаг определения периода коагуляции составляет 5 минут. Верхнее значение показателя вязкости глиняного шликера составляет 3,35, нижнее – 1,15. Данный диапазон позволяет получить пенокерамическую массу требуемого качества. Контрольные составы без применения электролитов имеют значения вязкости 3,12 и 3,17 на основе боровичско–любытинской и кембрийской глин соответственно (при В/Г равном 0,85).

Значения факторов варьирования и экспериментальные составы смесей представлены в табл. 2 и 3 соответственно. Содержание наполнителя и электролита представлено в процентах от массы глинистой породы.

Таблица 2

Значения факторов варьирования

№ п/п

Наименование фактора

Уровень фактора

1

2

1

Водоглиняное отношение (В/Г)

0,70

0,85

2

Содержание электролита, %

2,5

4,0

3

Содержание наполнителя, %

15

25

Таблица 3

Составы пенокерамических смесей

Номер состава

Содержание компонента

В/Г

Электролит (Э), %

Наполнитель (Н), %

1

0,7

2,5

15

2

0,85

2,5

15

3

0,7

4,0

15

4

0,85

4,0

15

5

0,7

2,5

30

6

0,85

2,5

30

7

0,7

4,0

30

8

0,85

4,0

30

Результаты исследования по получению пенокерамических сырцов различных составов на основе боровичско-любытинской и кембрийской глин сведены в табл. 4 и 5 соответственно.

Таблица 4

Физико-механические показатели пенокерамических составов на основе боровичско-любытинской глины

Номер состава

Физико-механические показатели

η

Δtкоаг, мин

Rсж, МПа

ρср, кг/м3

Ув, %

1

1,96

150

2,71

500

11,9

2

1,70

235

2,15

483

13,6

3

1,78

135

2,98

513

11,6

4

1,18

205

2,28

494

13,3

5

2,25

135

3,28

512

9,8

6

1,93

190

2,71

495

12,0

7

2,18

105

3,42

521

9,6

8

1,53

170

2,59

507

11,8

Полученные физико-механические показатели пенокерамических составов на основе Боровичско-любытинской глины выражаются в соответствующих уравнениях регрессии (2)–(6).

η = 1,81–0,23∙В/Г – 0,15∙Э + 0,16∙Н – 0,08∙В/Г∙Э; (2)

∆tкоаг = 165,6 + 34,4∙В/Г – 11,9∙Э – 15,6∙Н – 0,6∙В/Г∙Э – 4,4∙В/Г∙Н – 0,6∙Э∙Н + 3,1∙В/Г∙Э∙Н; (3)

Rсж = 2,76 – 0,33∙В/Г + 0,24∙Н; (4)

ρср = 503,1 – 8,4∙В/Г + 5,6∙Э + 5,6∙Н + 0,1∙В/Г∙Э + 4,4∙В/Г∙Н – 0,4∙Э∙Н + 0,6∙В/Г∙Э∙Н; (5)

Ув = 11,7 + В/Г – 0,1∙Э – 0,9∙Н + 0,1∙В/Г∙Н. (6)

Таблица 5

Физико-механические показатели пенокерамических составов на основе кембрийской глины

Номер состава

Физико-механические показатели

η

Δtкоаг, мин

Rсж, МПа

Ρср, кг/м3

Ув, %

1

2,08

140

2,84

508

12,1

2

1,83

220

2,21

489

13,6

3

1,90

125

2,75

505

11,8

4

1,31

190

2,16

490

13,1

5

2,39

115

3,41

501

9,9

6

2,05

175

2,86

506

12,2

7

2,30

85

3,37

515

9,7

8

1,64

150

2,71

498

12,0

Полученные физико-механические показатели пенокерамических составов на основе кембрийской глины имеют уравнения регрессии (7)–(11).

η = 1,94 – 0,23∙В/Г – 0,15∙Э + 0,16∙Н–0,08∙В/Г∙Э; (7)

∆tкоаг = 150 + 33,75∙В/Г – 12,5∙Э – 18,75∙Н – – 1,25∙В/Г∙Э – 2,5∙В/Г∙Н – 1,25∙Э∙Н + 2,5∙В/Г∙Э∙Н; (8)

Rсж = 2,79 – 0,3∙В/Г + 0,3∙Н; (9)

ρср = 501,5 – 5,75∙В/Г + 0,5∙Э + 3,5∙Н – 2,25∙В/Г∙Э + 2,75∙В/Г∙Н – Э∙Н – 3,25∙В/Г∙Э∙Н; (10)

Ув = 11,8 + 0,93∙В/Г – 0,15∙Э – 0,85∙Н + 0,23∙В/Г∙Н. (11)

Применение добавок электролитов значительно понижает вязкость глиняного шликера (до 1,31), позволяя улучшить процесс поризации массы. Ячеистая структура характеризуется большей равномерностью распределения пор по объему пенокерамического сырца, уменьшая воздушную усадку, что позволяет получать изделия с высокими коэффициентами конструктивного качества. Дальнейшее повышение содержания электролита не отражается на физико-механических показателях пенокерамических сырцов, за исключением значений периода коагуляции в сторону уменьшения.

Заключение

На основе проведенных исследований по определению закономерностей степени пептизации глинистых шликеров на прочностные свойства высушенных образцов получены линейные математические модели процесса с использованием регрессионных закономерностей.

Вышеизложенные результаты подтверждают теоретические обоснования и справедливы для двух типов исследуемых глин. Кембрийская глина содержит большее количество CaO, чем Боровичско-любытинская. Данное обстоятельство отражает ускоренный процесс коагуляции пенокерамической массы по сравнению с составами на основе Боровичско-любытинской глины.

Очевидно, что комплексные исследования по получению высокопористой пенокерамики позволят наиболее полно описать процессы оптимизации составов глиняных шликеров с целью получения наилучших эксплуатационных показателей готовых изделий.

Рецензенты:

Пухаренко Ю.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии строительных материалов и метрологии, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург;

Харитонов А.М., д.т.н., профессор, доцент кафедры технологии строительных материалов и метрологии, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.



Библиографическая ссылка

Дмитриев К.С. ПЕПТИЗАЦИЯ ГЛИНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ В ТЕХНОЛОГИИ ПЕНОКЕРАМИКИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 10-2. – С. 249-253;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39158 (дата обращения: 09.12.2021).

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