employee
employee
employee
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Improving of the quality and expanding the color range of a face brick for domestic architecture is a very important task. The prospect in this direction is the technology of producing a face brick of a wide variety by three-dimensional coloring. The article presents the main factors influencing the colour formation and the features of a ceramic brick. The processes occurring during the clarification of a ceramic crock by introducing white-burning clay and chalk in the mixture are examined.
three-dimensional coloring, ceramic brick of light tones, loam, white-burning clay, chalk
Повышение спроса на изделия стеновой архитектурно-строительной керамики обусловлено тем, что лицевой кирпич позволяет разнообразить и оригинально украсить фасады и интерьеры зданий. Одним из важных параметров, определяющих спрос на лицевой керамический кирпич, является его внешний вид: цвет, форма и фактура поверхности [1–4]. В связи с этим целесообразно рассмотреть за счет каких физико-химических процессов керамический кирпич приобретает свой характерный красный цвет в процессе обжига и какими видами добавок возможно его расширить в желаемом направлении.
На формирование цвета и основных свойств керамического черепка оказывают влияние:
- химический состав исходного сырья;
- состав и виды добавок;
- температура, режим и среда обжига.
Химический состав суглинков и глин, применяемых для производства керамического кирпича, как правило, представлен следующими основными оксидами: SiО2, А12О3, CaO, MgO, Fe2О3, TiО2, К2О, Na2О. Наибольшее влияние на формирование типичного красного цвета керамического кирпича оказывает Fe2О3. Тонкодисперсные железистые примеси, в зависимости от содержания их в сырье, придают обожженному керамическому черепку цвет в окислительной среде – от кремового и бледно-розового до вишнево-красного, в восстановительной среде - до сине зеленоватого и при большом содержании оксидов железа даже черного [1–4].
В качестве объекта исследований использовался суглинок месторождения Верхняя Хава Воронежской области, химический состав представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав суглинка месторождения Верхняя Хава Воронежской области
|
Массовые доли оксидов, % |
|||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3+ FeO |
CaO |
MgO |
K2O+ Na2O |
потери при прокаливании |
∑ |
|
64,3 |
12,9 |
3,8 |
6,4 |
3,8 |
0,3 |
8,7 |
100 |
Из суглинка месторождения Верхняя Хава с нормальной формовочной влажностью изготавливали образцы плиточки, а также кубы с ребром 5 см. Образцы высушивали до постоянной массы при температуре 105 ºС, а затем обжигали при максимальной температуре 1050 ºС.
Для определения минералогического состава керамического черепка естественной окраски выполнен ретгенофазовый анализ на приборе ДРОН 4-07. На основании РФА определены основные минералы, образующиеся в керамическим черепке которые представлены в табл. 2 с указанием естественного цвета минерала.
Установлено, что окрашивание керамического черепка в красные тона происходит в основном за счет образующего гематита (α-Fe2O3), а также возможно окрашивание стеклофазы в более темные (бурые) тона за счет растворения железа в стеклофазе.
Для осветления керамического черепка необходимо либо уменьшить содержание гематита, либо перевести Fe2O3 в расплав с образованием стекол светлых тонов, либо перевод Fe2O3 в бесцветные соединения [1–5]. Таким образом, зная химический состав (в частности содержание оксидов железа), можно спрогнозировать цвет будущего изделия, а регулируя количественное содержание оксида железа получить изделия различных цветовых оттенков.
Таблица 2
Основные минералы, образовавшиеся в керамического черепке в процессе обжига
|
Наименование минерала |
Цвет минерала |
|
Кварц |
Бесцветный |
|
Анортит |
Бесцветный или слабоокрашенный |
|
Муллит |
Бесцветен, примесями Fe2O3 может окрашиваться и принимать буровато красный оттенок |
|
Гематит |
От кроваво красного до черного |
|
Фаялит |
Оливково-зеленый |
|
Кристобалит |
Бесцветный |
|
Тридимит |
Бесцветный |
|
Кордиерит |
Бесцветный, серовато- голубой, фиолетово-синий, реже желтовато-белый или бурый |
|
Различные виды легкоплавких стекол |
В зависимости от преобладающих ионов |
На сегодняшний день особым интересом среди потребителей пользуется кирпич именно светлых оттенков (персиковый, соломенный, бежевый).
Для изучения процессов осветления керамического черепка в состав дополнительно вводили:
- беложгущуюся (латненскую ЛТ-0) глину в количестве от 30 до 50 %;
- мел, из расчета соотношения Fe2 O3/CaO равного 0,3 и 0,2
Добавка светложгущейся глины в количестве 10 % существенно не влияет на окраску образцов, но увеличение ее содержания в исходном составе до 30–50 % способствует значительному осветлению изделий от оранжевого до темно-кремового, что обусловлено уменьшением содержания оксида железа в шихте.
При увеличении содержании латненской глины до 30–50 % происходит увеличение прочности при сжатии с 21,5 МПа при 0 % содержании латненской глины до 25–27,5 МПа. Водопоглощение снижается с 12,1 % до 9,4 %, а общая усадка увеличивается с 10 % при 0 % содержания латненской глины до 13,5 % при содержании латненской глины 50 %.
Снижение водопоглощения объясняется уплотнением керамического черепка за счет более интенсивного спекания глинистых частиц, содержащихся в латненской глине в большем количестве, при этом количество открытых пор уменьшается.
Красящее действие оксидов железа значительно ослабляется при наличии в глине карбонатных примесей. Так, по данным Г.А. Калантаpa [1–4], обожженный черепок в зависимости от соотношения Fe2O3/CaO приобретает окраску от розового до светло-желтого (табл. 3).
Таблица 3
Окрашивание керамических масс в зависимости от соотношения Fe2O3/CaO
|
Соотношение Fe2O3/CaO, в % не менее |
Цвет черепка |
|
0,4 |
Розовый |
|
0,3 |
Желтый |
|
0,2 |
Светло-желтый |
Расчет необходимого количества мела для получения предполагаемого цвета производился по известной формуле:
И = ( Аж.г- Мж.и∙ Ак.г)/0,4 Мж.и (1)
где И – добавка известняка (мела) к глине,%; Аж.г – содержание Fe2O3 в глине, %;Ак.г – содержание CaO в глине, %;Мж.и – необходимое отношение Fe2O3/CaO; 0,4 – условно принятое содержание CaO в известняке в долях единицы.
Для получения желтого цвета керамического черепка (соотношение Fe2O3/CaO = 0,3) необходимое количество мела составило 13,3 % сверх 100 % суглинка, а для получения керамического черепка светло-желтого цвета (Fe2O3/CaO = 0,2) необходимое количество мела составило 28,75 % сверх 100 % суглинка.
Влияние мела на процессы окрашивания керамических изделий оценивали на образцах кубах при введении мела в количестве 13,3 % и 28,75 %. Обожженные образцы стали значительно светлее, чем без мела, и приобрели цвет от оранжевого до желтого. Рентгенофазовый анализ позволил установить основные минералы в полученном керамическом черепке (рис.1, табл.3).
Как показали экспериментальные исследования, введение в шихту мела способствует осветлению керамического черепка. При этом существенно снижается железосодержащая фаза гематита α-Fe2O3. Небольшое содержание гематита обусловливает появление розовых (кремовых) и оранжевых тонов в окраске образцов. Ввод в шихту мела вызывает образование новых кристаллических соединений: волластонита (CaO∙SiO2), анортита (CaО∙Al2О3∙2SiO2), в меньшем количестве мелилита (Ca2(Al, Mg, Si)Si2O7), имеющих светлую окраску. Эти кальциевые соединения и придают изделиям светлую окраску. С другой стороны, ввод в шихту мела обеспечил более интенсивное образование стеклофазы в черепке, при этом процесс осветления керамического черепка усиливается не только при обогащении его объема светлыми силикатами кальция, но также в результате вовлечения значительной массы красящих оксидов железа в сложные алюмосиликатные комплексы, бесцветные или с малоинтенсивной окраской, такие например, как мелилит, имеющего белый или бледно-желтый цвет [1–4]. Таким образом, смена красно-коричневых цветов на желтые в керамических изделиях при добавлении мела объясняется снижением содержания гематита и образованием светлоокрашенных минералов и стекол.
Рис. 1. Рентгенограмма обожжённых образцов при введении в шихту 28,75 % мела
Таблица 3
Минералогический состав керамического черепка при введении в шихту 28,75 % мела
|
Наименование минерала |
Химическая формула |
Цвет минерала |
Межплоскостных расстояний, Å |
|
Кварц |
SiO2 |
Бесцветный |
4,26; 3,34; 2,45;,2,28; 2.23; 2.12, 1,812 |
|
Анортит |
CaО∙Al2О3∙2SiO2 |
Бесцветный или слабоокрашенный |
3,2 ; 2,95; 2,83; 2,51 ;1,837 |
|
Волластонит |
β Са(Si3O9) |
Бесцветный, белый или серо-белый |
3,88; 3,52; 3,31; 3,09; 2,96; 2,55; 2,47; 2,33; 2,3; 2,18; 2,01; 1,83 |
|
Мелилит |
Са2(Al, Mg, Fe, Si) Si2O7 |
Белый, бледно-желтый, реже зеленовато-желтый, красно-бурый, серый |
3,71; 3,074; 2,86; 2,45; 2,4; 2,3; 2,04; 1,828 |
|
Муллит |
3 Al2О3∙2SiO2 |
Бесцветен, примесями Fe2O3 может окрашиваться и принимать буроватокрасный оттенок |
5,41; 3,42; 2,9; 2,69; 2,54; 2,29; 2,12 |
|
Гематит |
α- Fe2O3 |
От кроваво красного до черного |
3,65; 2,69; 2,51; 2,2; 1,84 |
|
Фаялит |
Fe2SiO4 |
Оливково-зеленый |
3,7; 2,85; 1,75 |
|
Кристобалит |
|
Бесцветный |
4,03; 3,13; 2,83; 2,48; 2,112 |
|
Различные виды легкоплавких стекол |
|
В зависимости от преобладающих ионов |
|
Установлено, что при введении в шихту мела в количестве 13,3 % прочностные показатели возрастают с 21,5 МПа без добавки до 27 МПа, а при введении мела в количестве 28,75 % с 21,5 МПа без добавки до 23,1 МПа. При этом при практически не изменой общей усадке, средняя плотность снижается, а водопоглощение при введении в шихту мела в количестве 13,3 % увеличивается до 14,6 %, при введении мела в количестве 28,75 % до 17,5 %.
Увеличение прочностных показателей обусловлено с одной стороны тем, что СаО в тонко дисперсном состоянии при температуре более 1000 0С является сильным плавнем и образует силикатные или алюмосиликатные расплавы, что оказывает положительное влияние на спекание и соответственно на повышение прочности, с другой стороны увеличение прочностных показателей можно объяснить появлением новообразованного волластонита, который отсутствует в обожженных образцах без добавки мела. Однако при введении в шихту мела снижается средняя плотность и возрастает водопоглощение, что вызвано увеличением количества открытых пор. Это объясняется тем, что при период диссоциации СаСО3 образуется большое количество углекислого газа, который дополнительно поризует систему.
*Работа выполнена при использовании оборудования Центра коллективного пользования Воронежского ГАСУ им. Ю.М. Борисова.
1. Al'perovich I.A. Novoe v tehnologii licevogo keramicheskogo kirpicha ob'emnogo okrashivaniya // Stroitel'nye materialy. №7. 1993. S. 5–9.
2. Zubehin A.P., Golovanova S.P., Yacenko N.D. i dr. Spektroskopicheskie i kristallohimicheskie osnovy belizny i cvetnosti silikatnyh materialov // Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskiy. region. Tehnicheskie nauki. 2007. № 5. S. 40–43.
3. Zubehin A.P., Yacenko N.D., Verevkin K.A. Vliyanie okislitel'no-vosstanovitel'nyh usloviy obzhiga na fazovyy sostav oksidov zheleza i cvet keramicheskogo kirpicha // Stroitel'nye materialy. №7. 2011. S. 8–11.
4. Stolboushkin A.Yu. Uluchshenie dekorativnyh svoystv stenovyh keramicheskih materialov na osnove tehnogennogo i prirodnogo syr'ya // Stroitel'nye materialy. №8. 2013. S. 24–29.
5. Scherbinin A.R., Surkova E.V., Purik A.V., Baranov E.V. Osobennosti formirovaniya cveta i svoystv keramicheskogo kirpicha v processe obzhiga // Materialy IX vserossiyskoy nauchno-tehnicheskoy konferencii studentov, magistrantov, aspirantov, molodyh uchenyh «Energiya molodyh – stroitel'nomu kompleksu». Bratsk: Iz-vo BrGU. 2015. S. 81–85.
