APPLICATION OF FOSSIL MEAL IN FACADE CERAMICS PRODUCTION, OBTAINED USING GLASS SCRAP

ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕПЕЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ ФАСАДНОЙ КЕРАМИКИ, ПОЛУЧАЕМОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕКЛОБОЯ

Научная статья

Виткалова И.А.¹, Торлова А.С.², Пикалов Е.С.^3, *

¹ ORCID: 0000-0001-9675-6432;

² ORCID: 0000-0002-1622-5584;

³ ORCID: 0000-0001-9380-8014;

^{1, 2, 3} Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Владимир, Россия

* Корреспондирующий автор (evgeniy-pikalov[at]mail.ru)

Аннотация

В данной работе представлены результаты разработки состава шихты, включающего малопластичную глину как основной компонент, борную кислоту как плавень, стеклобой как флюсующе-упрочняющую добавку и трепел как компонент, образующий мелкопористую структуру керамики. Результаты работы включают в себя зависимости прочности на изгиб и теплопроводности фасадной керамики от соотношения компонентов шихты, подтверждающие роль каждой из добавок и позволяющие определить их соотношение, обеспечивающее эксплуатационные показатели керамики. В работе также содержатся сведения об основных физико-механических свойствах разработанного материала, из которых следует, что полученная керамика является энергоэффективной, позволяет получать изделия с пониженной массой и соответствующие нормативным требованиям, предъявляемым к плиткам для наружной облицовки стен и цоколей.

Ключевые слова: облицовочная керамика, самоглазурование, малопластичная глина, энергоэффективность, стеклобой, трепел.

APPLICATION OF FOSSIL MEAL IN FACADE CERAMICS PRODUCTION, OBTAINED USING GLASS SCRAP

Research article

Vitkalova I.A.¹, Torlova A.S.², Pikalov E.S.^3, *

¹ ORCID: 0000-0001-9675-6432;

² ORCID: 0000-0002-1622-5584;

³ ORCID: 0000-0001-9380-8014;

^{1, 2, 3} Vladimir State University named after Alexandr and Nikolay Stoletovs, Vladimir, Russia

* Corresponding author (evgeniy-pikalov[at]mail.ru)

Abstract

This work presents the mixture composition development results, including low-plastic clay as the main component, boric acid as a fluxing agent, glass scrap as a flux-hardening additive and a fossil meal as a component forming a finely porous ceramic structure. The results of the work include the dependences of the bending strength and thermal conductivity of facade ceramics on the ratio of the components of the mixture, confirming the role of each of the additives and allowing to determine their ratio, ensuring the performance of ceramics. The work also contains information on the basic physical and mechanical properties of the developed material, from which it follows that the obtained ceramics is energy efficient, which allows obtaining products with reduced mass and meeting the regulatory requirements for tiles for external cladding of walls and socles.

Keywords: facade ceramics, self-glazing, low-plastic clay, energy efficiency, glass scrap, fossil meal.

Введение

Наружная облицовка стен и цоколей зданий керамическими изделиями широко и успешно применяется как в малом, так и в высотном строительстве. По сравнению с другими материалами, применяемыми для облицовки фасадов, керамика характеризуется сохранением своих свойств в широком интервале температур, низким водопоглощением, высокой морозостойкостью и механической прочностью, в т.ч. возможностью выдерживать практически любые ветровые нагрузки, которые повышаются с увеличением высоты здания. Стоит учитывать и то, что керамика является одним из лучших вариантов с точки зрения эстетики фасада [1], [2].

Как и любой другой материал керамика обладает недостатками, к которым относятся сравнительно большая масса, создающая нагрузку на стены и фундамент, высокая стоимость изделий, хрупкость, ломкость и низкая паропроницаемость, препятствующая испарению влаги из стен, что ухудшает теплоизоляцию и срок службы здания.

Хрупкость и ломкость обуславливают необходимость осторожного монтажа изделий. Чтобы исключить проблему низкой паропроницаемости необходимо проводить монтаж фасадной керамики на обрешетку по системе вентилируемых фасадов.

Дополнительным преимуществом фасадной керамики, позволяющим минимизировать ее недостатки и повысить эксплуатационные свойства изделий, являются широкие возможности по ее модификации функциональными добавками.

Авторами данной работы ранее проводились исследования по разработке облицовочной керамики, в которых себестоимость изделий была снижена за счет использования глинистого сырья низкого качества и введения в состав шихты компонентов с низкой стоимостью, в т.ч. техногенных отходов. Основным преимуществом полученных материалов являлись жидкофазное спекание за счет применения легкоплавких компонентов и плавней, благодаря которому повышаются прочность и морозостойкость, а также происходит самоглазурование поверхности изделий, что улучшает их внешний вид, снижает трещинообразование и водопоглощение [3], [4], [5]. Снижение массы изделий в проведенных разработках достигалось повышением их пористости, что дополнительно позволило повысить их энергоэффективность [4], [5], [6].

В одной из проведенных работ для обеспечения энергоэффективности облицовочной керамики с эффектом самоглазурования и жидкофазным спеканием применялся трепел [7]. Целью данной работы являлось определение количества трепела относительно других компонентов шихты для получения фасадной керамики с высокими значения эксплуатационных свойств при пониженных величинах плотности и теплопроводности.

Методы и принципы исследования

В исследуемом составе шихты основным компонентом являлась глина Суворотского месторождения Владимирской области, число пластичности которой, определенное по стандартной методике, составляет 5,2, что свидетельствует о малой пластичности глины и является причиной низкой прочности и высокого водопоглощения получаемых из нее изделий. Следовательно, необходимо введение специальных добавок для повышения качества изделий. Применяемая глина имеет следующий состав (в мас. %): SiO₂ = 67,5; Al₂O₃ = 10,75; Fe₂O₃ = 5,85; CaO = 2,8; MgO = 1,7; K₂O = 2,4; Na₂O = 0,7 [4], [5], [6].

В качестве порообразующей добавки применялся трепел Пекшинского месторождения Владимирской области, содержащий в своем составе (в мас. %): SiO₂ = 74,2, Fe₂O₃ = 6,9; А1₂О₃ = 9,4; СаО = 2,2; MgO = 1,6. Выбор трепела объясняется возможностью повысить пористость при сохранении достаточно высоких прочностных показателей [7], [8], [9].

Добавкой для повышения прочности изделий за счет жидкофазного спекания являлся бой листового оконного стекла, получаемый в результате измельчения отходов потребления, следующего состава (в мас. %): SiO₂ = 73,5; CaO = 7,4; MgO = 1,9; Na₂O = 11,1; K₂O = 5,2; Al₂O₃ = 0,9 [5], [7].

В качестве плавня в состав шихты вводилась борная кислота марки B 2-го сорта по ГОСТ 18704-78, содержащая не менее 98,6 мас. % основного вещества. Борная кислота снижает температуру жидкофазного спекания и совместно со стеклобоем обеспечивает эффекты самоглазурования и остекловывания керамики [3], [5].

Перед использованием глина, трепел и стеклобой раздельно измельчались для получения размера частиц не более 0,63 мм и высушивались до постоянной массы. Затем все компоненты перемешивались в сухом состоянии, после смесь увлажнялась до 8 мас. % и снова перемешивалась до получения формовочной массы. Образцы исследуемой керамики получали из формовочной массы путем прессования при удельном давлении 15 МПа и обжига при максимальной температуре обжига 1050 ^оС.

У образцов по стандартным для строительной керамики методикам определяли прочность на сжатие (σ_сж, МПа) и изгиб (σ_изг, МПа), водопоглощение (В, %), морозостойкость (М, циклы), открытую (П_отк, %) и общую (П_общ, %) пористости, плотность (ρ, кг/м³) и теплопроводность (λ, Вт/м∙^оС).

Основные результаты

В результате ранее проведенных исследований было выявлено, что максимальная прочность и минимальное водопоглощение для разрабатываемого состава шихты обеспечиваются при использовании 5 мас. % борной кислоты [7]. На первом этапе данной работы были изучены зависимости для основных эксплуатационных показателей от соотношения трепела и стеклобоя (СБ) в составе шихты.

Из представленных на рисунке 1 результатов экспериментов видно, что прочность на изгиб разрабатываемой керамики повышается с увеличением количества стеклобоя и уменьшается с увеличением количества трепела.

 

Рис. 1 – Влияние трепела и стеклобоя на прочность на изгиб керамики

 

Характер полученных зависимостей объясняется влиянием исследуемых добавок на пористость материала, повышение которой, как известно, приводит к снижению прочности материала.

Влияние стеклобоя заключается в том, что данный компонент шихты плавится при обжиге, заполняя поры и образуя слои стеклофазы между частицами керамики, что позволяет сформировать из них прочный каркас. Флюсующее действие борной кислоты усиливает влияние стеклобоя, повышая количество расплава и снижая температуру его образования.

В свою очередь трепел является порообразующей добавкой, основу которого составляют микрочастицы опала SiO₂∙nH₂O [10]. При температурах 450-800 ^оС во время обжига из этих частиц удаляется химически связанная вода, что повышает пористость материала. Наличие флюсующих оксидов железа, кальция и магния в составе применяемого трепела наряду со стеклобоем и борной кислотой способствует жидкофазному спеканию. После удаления химически связанной воды и расплавления флюсующих оксидов микрочастицы кремния вместе с расплавом заполняют крупные пустоты между частицами керамики, способствуя формированию мелкопористой структуры [7], [8], [9]. При этом между частицами керамики образуются перемычки из слоев стеклофазы, заполненной микрочастицами кремния [7].

Из данных, приведенных на рисунке 2, видно, что теплопроводность материала повышается при увеличении количества стеклобоя и понижается с ростом содержания трепела.

 

Рис. 2 – Влияние трепела и стеклобоя на теплопроводность керамики

 

Характер полученных зависимостей также объясняется влиянием исследуемых добавок на пористость материала, повышение которой, как известно, приводит к снижению теплопроводности.

Так как целью проводимых исследований было получение энергоэффективной фасадной керамики, в соответствии с ГОСТ 13996-93 прочность на изгиб материала должна быть не ниже 16 МПа. В связи с этим выбираем состав шихты, позволяющий максимально понизить теплопроводность при соблюдении требований по прочности на изгиб, т.е. состав, включающий 3 мас. % стеклобоя и 12 мас. % трепела.

На втором этапе выполненных экспериментов был определен комплекс свойств фасадной керамики на основе выбранного состава шихты и проведено сравнение их значений с нормативными требованиями, представленное в таблице.

 

Таблица – Свойства разработанной фасадной керамики

Свойство керамики	Требования ГОСТ 13996-93 для плиток		Разработанная керамика
	стеновых	цокольных
ρ, кг/м3	-	-	1828,9
σсж, МПа	-	-	31,4
σизг, МПа	16	8	16,1
В, %	2-9	2-5	2,4
М, циклы	> 40	> 50	53
λ, Вт/(м∙оС)	-	-	0,31

 

Обсуждение

Полученные результаты экспериментов показывают, что на основе разработанного состава шихты может быть получена керамика, соответствующая требованиям, предъявляемым к плиткам для наружной облицовки стен и цоколей. Теплопроводность данного материала позволяет в соответствии с ГОСТ 530-2012 отнести его к эффективным по теплотехническим характеристикам (λ = 0,24-0,36 Вт/(м·^оС)). Плотность керамики позволяет получить массу изделий, равную 16,5 кг/м² при толщине 9 мм, что меньше средней массы керамогранитных плиток, равной 25-35 кг/м² при толщине 10-12 мм, и средней массы терракотовых и клинкерных плиток, равной 35-75 кг/м² при толщине 19 мм. Таким образом, полученный керамический материал может эффективно использоваться в качестве фасадной керамики.

Заключение

В результате проведенных исследований был разработан состав шихты на основе малопластичной глины, дополнительно включающий 5 мас. % борной кислоты, 3 мас. % стеклобоя и 12 мас. % трепела. При использовании трепела в производстве фасадной керамики стоит учитывать, что порообразующее действие добавки превышает ее упрочняющий эффект, поэтому в первую очередь трепел обеспечивает пористость материала, а стеклобой совместно с борной кислотой обеспечивают жидкофазное спекание, способствующее повышению прочности и увеличению доли закрытых пор за счет самоглазурования поверхности изделий (для разработанного состава П_общ = 23,2 %, П_отк = 4,6 %).

Разработанный состав шихты дает возможность получить энергоэффективную фасадную керамику с пониженными массой и теплопроводностью изделий, что уменьшает тепловые потери через облицованную поверхность и снижает нагрузку на фундамент. Дополнительными преимуществами разработанного состава является возможность использования малопластичной глины и стеклобоя, что расширяет сырьевую базу керамического производства и способствует утилизации стекольных отходов.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Воронцов В.М. Стекло и керамика в архитектуре: Учеб. пособие / В.М. Воронцов, И.И. Немец. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. – 106 с.
2. Андрианов Н.Т. Химическая технология керамики: Учеб. пособие для вузов / Н.Т. Андрианов, В.Л. Балкевич, А.В. Беляков; Под ред. И.Я. Гузмана. – М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2011. – 496 с.
3. Шахова В.Н. Получение облицовочной керамики с использованием несортированного боя тарных стекол / В.Н. Шахова, И.А. Виткалова, А.С. Торлова и др. // Экология и промышленность России. – 2019. – № 2. – С. 36–41.
4. Шахова В.Н. Разработка облицовочного керамического материала с эффектом самоглазурования на основе малопластичной глины / В.Н. Шахова, А.В. Березовская, Е.С. Пикалов и др. // Стекло и керамика. – 2019. – № 1. – С. 13–18.
5. Виткалова И.А. Применение полимерных и стекольных отходов для получения самоглазурующейся облицовочной керамики / И.А. Виткалова, А.С. Торлова, Е.С. Пикалов и др. // Экология и промышленность России. 2019. №11. С. 38-42.
6. Перовская К.А. Применение полимерных отходов для повышения энергоэффективности стеновой керамики / К.А. Перовская, Д.Е. Петрина, Е.С. Пикалов и др. // Экология промышленного производства. – 2019. – №1. – С. 7–11.
7. Торлова А.С. Разработка энергоэффективной облицовочной керамики на основе местного сырья и стекольного боя / А.С. Торлова, И.А. Виткалова, Е.С. Пикалов и др. // Экология промышленного производства. – 2019. – №3. – С. 22–26.
8. Дятлова Е.М. Теплоизоляционные материалы, полученные с применением трепела / Е.М. Дятлова, С.Л. Радченко, О.А. Коховец // Огнеупоры и техническая керамика. 2006. № 6. С. 43-47.
9. Салахова Р.А. Высокопрочные керамические стеновые изделия из легкоплавких глинистых и опал-кристобалитовых пород: автореф. дис. … канд. техн. наук - Казань, 2011.
10. Кузнецов В.Г. Осадочные горные породы и их изучение: учеб. пособие для вузов / В.Г. Кузнецов – М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2007. – 511 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Voroncov V.M. Steklo i keramika v arhitekture [Glass and ceramics in architecture]: Textbook / V.M. Voroncov, I.I. Nemec. – Belgorod: publishing house BGTU, 2010. – 106 p. [in Russian]
2. Andrianov N.T. Himicheskaya tekhnologiya keramiki [Chemical technology of ceramics]: Textbook for universities / N.T. Andrianov, V.L. Balkevich, A.V. Belyakov et al; Eds. I.Ya. Guzman. – M.: OOO RIF «Strojmaterialy», 2011. – 496 p. [in Russian]
3. Shakhova V.N. Poluchenie oblicovochnoj keramiki s ispol'zovaniem nesortirovannogo boya tarnyh stekol [Receiving of ceramic veneer with the use of unsorted container glass breakage] / V.N. Shakhova, I.A. Vitkalova, A.S. Torlova et al // Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and Industry of Russia]. – 2019. – №2. – P. 36–41. [in Russian]
4. Shakhova V.N. Razrabotka oblicovochnogo keramicheskogo materiala s effektom samoglazurovaniya na osnove maloplastichnoj gliny [Development of Self-Glazing Ceramic Facing Material Based on Low-Plasticity Clay] / V.N. Shakhova, A.V. Berezovskaya, E.S. Pikalov et al // Steklo i keramika [Glass and Ceramic]. – 2019. – № 1. – P. 13–18. [in Russian]
5. Vitkalova I.A. Primenenie polimernyh i stekol'nyh othodov dlya polucheniya samoglazuruyushchejsya oblicovochnoj keramiki [Application of polymer and glass waste to produce self-glazing facing ceramics] / I.A. Vitkalova, A.S. Torlova, E.S. Pikalov et al // Ekologiya i promyshlennost' Rossii [Ecology and industry of Russia]. 2019. №11. P. 38-42. [in Russian]
6. Perovskaya K.A. Primenenie polimernyh othodov dlya povysheniya energoeffektivnosti stenovoj keramiki [Application of polymer waste for improvement the energy efficiency of wall ceramics] / K.A. Perovskaya, D.E. Petrina, E.S. Pikalov et al // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production]. – 2019. – №1. – P. 7–11. [in Russian]
7. Torlova A.S. Razrabotka energoeffektivnoj oblicovochnoj keramiki na osnove mestnogo syr'ya i stekol'nogo boya [Development of energy efficient facing ceramics based on local raw materials and cullet] / A.S. Torlova, I.A. Vitkalova, E.S. Pikalov et al // Ekologiya promyshlennogo proizvodstva [Ecology of industrial production]. – 2019. – №3. – P. 22–26. [in Russian]
8. Dyatlova E.M. Teploizolyacionnye materialy, poluchennye s primeneniem trepela [Thermal insulation materials obtained with the use of Trepel] / E.M. Dyatlova, S.L. Radchenko, O.A. Kohovec // Ogneupory i tekhnicheskaya keramika [Refractories and technical ceramics]. 2006. № 6. P. 43-47. [in Russian]
9. Salahova R.A. Vysokoprochnye keramicheskie stenovye izdeliya iz legkoplavkih glinistyh i opal-kristobalitovyh porod [High-strength ceramic wall products from fusible clay and opal-cristobalite rocks]: extended abstract of PhD in technical sciences dissertation - Kazan, 2011. [in Russian]
10. Kuznecov V.G. Osadochnye gornye porody i ih izuchenie: ucheb. posobie dlya vuzov [Sedimentary mountain rocks and their study] / V.G. Kuznecov – M.: OOO «Nedra-Biznescentr», 2007. – 511 p. [in Russian]