Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Разработка рецептур лицевого керамического кирпича и модифицированных кладочных растворов на основе компонентов отечественного производства является актуальным направлением в аспекте импортозамещения. В статье исследована возможность получения лицевого керамического кирпича с требуемыми характеристиками на основе полиминеральных глин Центрально-Черноземного района (Воронежской области) методом полусухого прессования. Приведены химический состав, результаты рентгенофазового анализа, техно-логические свойства глинистого сырья. Рассмотрены химические и физико-механические и факторы, определяющие качество кладочных растворов и монолитность кирпичной стено-вой кладки, в частности, адгезия, состав функциональных групп электролитов, усадка, прочность. Показано, что использование кладочных растворов, модифицированных добав-ками отечественных водорастворимых полимеров, повышает эффективность работы кладки. Проанализирована возможность совместного использования в кладке исследуемого кирпича на основе полиминеральных глин и разработанных кладочных растворов с модифи-цирующими добавками.
полиминеральные глины, керамический кирпич, кладочные растворы, импортозамещение, модификаторы цементных систем, водорастворимые полимеры, кирпичная кладка.
Введение. В настоящее время в связи с нестабильной политической ситуацией в России и замедлением экономического роста наиболее остро встают вопросы обеспечения рынка строительных материалов конкурентоспособной продукцией отечественного производства взамен импортной. Использование керамического кирпича, позволяющего выдерживать широкий диапазон температур и влажности, сохранять и равномерно распределять тепло в стенах здания и тем самым возводить наружные стены достаточно прочными и теплыми, является перспективным направлением в строительной отрасли [1–3]. Среди множества современных стеновых материалов керамический кирпич остается одним из наиболее популярных в РФ. В связи с исчерпанием природных запасов качественных сырьевых материалов, актуальным вопросом в производстве отечественной строительной керамики является обеспечение предприятий необходимым сырьем, а также поиск возможностей применения местного и низкосортного сырья, отходов строительного производства [2–6].
Для получения надежной каменной конструкции важно обеспечить надежную совместную работу ее составляющих в частности, каменного материала и строительного раствора [7, 8]. Использование керамического кирпича и строительных растворов с требуемыми технологическими и физико-механическими показателями обеспечивает монолитность, долговечность и безопасность сооружения [2, 7, 8]. Разработка рецептур кладочных растворов на основе компонентов отечественного производства экономически целесообразна и является актуальным направлением в курсе импортозамещения. В первую очередь это относится к модификаторам кладочных цементных растворов, которые на современном рынке в основном представлены дорогостоящими продуктами импортного производства [9, 10].
Основная часть. В статье исследована возможность получения лицевого керамического кирпича с требуемыми характеристиками на основе полиминеральных глин Центрально-Черноземного района методом полусухого прессования. Проанализирована возможность повышения эффективности кирпичной кладки за счет совместного использования исследуемых кирпича и кладочных растворов, модифицированных добавками отечественных водорастворимых полимеров.
В качестве сырья для производства керамического кирпича была использована полиминеральная глина Дорожного месторождения (Воронежской области), химический анализ приведен в табл. 1.
Рентгенофазовый анализ исследуемых глин проводился на дифрактометре ДРОН-3. Минералогический состав глины, как показывает рентгенофазовый анализ (рис. 1), достаточно сложный.
Таблица 1
Усредненный химический состав глин, мас. %
|
SiO2 |
Al2O3+TiO2 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
п.п.п. |
|
66,06 |
12,9 |
3,6 |
3,1 |
1,5 |
0,1 |
7,8 |
Рис. 1. Рентгенограмма усредненной пробы суглинков
Дорожного месторождения
Из глинистых минералов присутствуют: нонтронит в количестве 15…20 %, каолинит - 5…8 %, иллит – 5…8 %. Содержание кварца достигает 45…50 %, кальцита – не менее 10…15, анортита. Оксиды железа представлены магнетитом. По числу пластичности глины Дорожного месторождения относятся к категории среднепластичных, высокочувствительных к сушке. Коэффициент чувствительности к сушке 1,53 определялся методом Носова. Карьерная влажность 17–20 %.
Технологические свойства глины Дорожного месторождения: карьерная влажность 17 %; коэффициент чувствительности к сушке КЧС 1,53 – высокочувствительные к сушке; формовочная влажность и водозатворяемость 18 %; число пластичности 20 – относятся к категории среднепластичного глинистого сырья. Таким образом, глины месторождения «Дорожное» соответствует требованиям для производства керамического кирпича и представляет практический интерес для керамической отрасли [2].
Методика экспериментальных исследований при подготовке керамических образцов включала: тщательную подготовку сырьевых материалов: тонкое измельчение сырья в шаровой мельнице до удельной поверхности
500 м2/кг, распускание в пропеллерной мешалке и последующее вылеживание глиняной массы в течение 3, 4 и 5 суток во влажном состоянии. Сушка массы: при 60–80 °С в течение 6 часов, и при 100–120 °С в течение 1 суток.
Образцы в форме кубиков размером 30×30×30 мм, 50×50×50 мм и балок размером 60×15×10 мм готовили методом полусухого прессования при влажности пресспорошка 6 %-12% (оптимальная влажность 8 %) и прессовом давлении 10, 20, 30 и 40 МПа (оптимальное давление прессования 30 МПа). Предварительная сушка проводилась при комнатной температуре (21–23 °С) 6 часов, и затем в сушильном шкафу при 50–60 °С 6 часов при 140 °С 12 часов до остаточной влажности сырца 1 %. Для выбора оптимальной температуры обжига образцы обжигали в интервале температур 600–1050 °С с выдержкой при максимальной температуре два и четыре часа [2, 4, 5].
Полученные в результате исследований образцы кирпича полусухого прессования с наилучшими физико-механическими показателями после обжига при 950 °С (табл. 2) соответствуют ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические. Технические условия».
Таким образом, полученные в результате исследований образцы соответствуют требованиям, предъявляемым к лицевому керамическому кирпичу.
Для надежной работы кирпича в конструкции, обеспечения монолитности и прочности кирпичной кладки, важно не только выдержать требуемые характеристики кирпича, но также обеспечить и другие важные параметры [11–15]. Рассмотрим факторы, от которых зависит прочность каменной кладки.
Таблица 2
Физико-механические свойства керамических образцов после обжига
|
Тобж, °С |
Физико-механические свойства |
||||||
|
σсж, МПа |
σизг, МПа |
М, цикл |
ρкаж, г/см3 |
Пористость, % |
Водопоглощение, % |
Усадка, линейная, % |
|
|
950 |
21,45 |
2,95 |
50 |
1,72 |
29,94 |
16,02 |
1,61 |
Кирпичная кладка работает в конструкции в сложном напряженном состоянии. Прочность и деформативность кладки будут определяться свойствами кирпича и раствора. Вследствие возникновения в кладке сложного напряженного состояния прочность ее существенно ниже сопротивления камня сжатию. Так, прочность кирпичной кладки на рядовых растворах составляет, как правило, не более 40 % прочности кирпича [7, 8]. Поэтому решение проблемы использования высоких прочностных свойств кирпича следует искать в применении новых видов раствора и совершенствовании технологии устройства кладки.
С точки зрения повышения монолитности, трещиностойкости, долговечности кладки, улучшения ее работы при изгибе, растяжении, внецентренном сжатии, повышения сопротивления кладки при сейсмических и динамических нагрузках кладочные растворы должны обладать, хорошими водоудерживающей способностью, удобоукладываемостью, сцеплением раствора с каменным материалом, малыми усадочными деформациями [7, 11–15].
При выборе компонентов кладки следует учитывать адгезию на границе контакта кирпича с раствором. Адгезионная прочность определяется физико-химическими характеристиками контактирующих поверхностей, шероховатостью поверхности и оказывает существенное влияние на монолитность кирпичной кладки. Адгезионную прочность определяют следующие факторы [13]:
- энергия связей, действующих через поверхность раздела определяется химической природой адгезива и субстрата, наличием на поверхности субстрата и в структуре адгезива функциональных групп, способных к химическому взаимодействию;
- число связей на границе раздела в результате химических реакций, действия межмолекулярных сил или диффузии зависит от площади контакта адгезива и субстрата;
- дефектность границы раздела определяется смачиванием поверхности субстрата жидким адгезивом, возникновением остаточных напряжений на границе раздела «адгезив-субстрат»;
- фазовый состав поверхности раздела определяет механизмы возникновения и распространения дефектов.
Согласно данным научно-технической литературы [7, 8] в кладке из силикатного кирпича сцепление обеспечивается менее надежно, чем из керамического, несмотря на лучшие прочностные характеристики и обеспеченность в размерах и форме силикатного кирпича. Скорость водопоглощения керамического кирпича при контакта с раствором в 1,5 раза выше, чем с силикатным, а прочность сцепления кладочного раствора с силикатным кирпичом оказывается в 2–4 раза ниже, чем с керамическим. Поверхность силикатного кирпича менее шероховатая, мелкопористая, менее развитая по сравнению с глиняным кирпичом, что снижает прочность сцепления его с раствором за счет уменьшения эффекта механического сцепления.
От величины усадочных деформаций раствора зависит прочность сцепления раствора с каменным материалом, а значит, и монолитность кладки. Усадка является нежелательным явлением, т.к. уменьшение объема системы приводит к возникновению внутренних напряжений и росту трещин внутри материала и на его поверхности [14, 15]. Это, в свою очередь, снижает модуль упругости и прочность изделия, особенно на растяжение, ухудшает его морозостойкость, отрицательно сказывается на долговечности.
Применение традиционных цементно-песчаных растворов не обеспечивает требуемых показателей адгезии, усадки, однородности растворного шва, что снижает долговечность каменной кладки. В связи с этим возникает необходимость модификации строительных смесей добавками полимеров.
Согласно данным научно-технической литературы и ранее проведенных исследований [7], кладочные составы, модифицированные водорастворимыми полимерами, предотвращают разупрочнение и трещинообразование кладки на стыке кирпича и раствора, улучшают физико-механические свойства кирпича и коэффициент использования прочности кирпича в кладке.
При выборе добавок-электролитов следует учитывать состав их функциональных групп, что позволяет целенаправленно регулировать физико-механические и технологические показатели цементно-полимерных композиций в нужном направлении. Наиболее эффективными в кладочных цементных растворах являются модифицирующие добавки неионогенной природы [7, 9]. Актуальным направлением модификации кладочных растворов является использование отечественных полимеров взамен дорогостоящих импортных аналогов.
Для приготовления кладочного раствора использовали портландцемент ПЦ ЦЕМ I 42,5Н ГОСТ 31108-2003 ЗАО «Белгородский цемент», кварцевый песок. В качестве модифицирующих добавок использовали неионогенные водорастворимые полимеры отечественного производства (табл. 3). Количество полимерной добавки составляло 0,5 % от массы цемента. Соотношение цемент:песок в растворе составляло 1:3 по массе. Подвижность растворов составляла 9 см по конусу СтройЦНИЛ.
Основные физико-механические характеристики модифицированных кладочных растворов в сравнении с раствором без добавок представлены в табл. 4.
Таблица 3
Характеристики добавок водорастворимых полимеров
|
Добавка |
Эмпирическая формула |
Функциональная группа |
Вязкость 1%-го водного раствора, МПа∙с |
|
Метилцеллюлоза (МЦ) |
[-C6H7O2(OH)3-x(OCH3)n-]n |
метоксильная группа -ОСН3 |
52,73 |
|
Оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ) |
[-C6H7O2(OH)3-x[-O-(-CH2- CH2-O-)q H]x-]n |
этоксильная группа -ОСН2СН2ОН |
7,91 |
Таблица 4
Физико-механические свойства кладочных растворов и использованием
водорастворимых полимеров отечественного производства
|
Добавка |
Физико-механические свойства растворов в возрасте 28 сут |
|||
|
σсж, МПа |
σизг, МПа |
Прочность нормального сцепления с силикатным кирпичом, кПа |
Общая усадка, с учетом водоотделения растворов, % |
|
|
- |
28 |
7 |
0,08 |
2,50 |
|
МЦ 0,5 % |
22 |
6,5 |
0,64 |
0,35 |
|
ОЭЦ 0,5 % |
25 |
6,8 |
0,59 |
0,40 |
Сопоставляя данные, приведенные в табл. 4, можно сделать вывод, что добавки водорастворимых полимеров увеличивают прочность сцепления раствора с кирпичом и уменьшают общие деформации усадки кладочных растворов.
Были проведены исследования по определению несущей способности кладки в условиях ее центрального сжатия на традиционном цементно-песчаном растворе и для сравнения на цементно-полимерном растворе с добавкой
0,5 % МЦ [7]. С этой целью были приготовлены образцы-столбы кирпичной кладки размером 25×25×100 см; толщина растворных швов в кладке при этом составляла 12-15 мм. Кирпич применялся силикатный полнотелый утолщенный марки М150 производства АО «Стройматериалы». В результате проведенных экспериментальных данных было установлено, что несущая способность кладки на цементно-полимерном растворе на 20 % выше, чем на традиционном, а коэффициент использования прочности кирпича в кладке возрастает с 0,58 до 0,77.
Согласно данных научно-технической литературы, силикатный кирпич обладает меньшей прочностью сцепления с кладочным раствором по сравнению с керамическим кирпичом. Сопоставляя полученные экспериментальные данные и теоретические факторы, определяющие работу кирпичной кладки, есть основание полагать, что использование разработанных авторами статьи керамического кирпича полусухого прессования и кладочных растворов, модифицированных добавками водорастворимых полимеров, позволит повысить эффективность работы кладки и использовать высокие прочностные показатели кирпича.
Выводы. Поиск возможностей применения местного сырья отечественного производства для получения керамического кирпича показал, что полученные в результате исследований образцы соответствуют требованиям, предъявляемым к лицевому керамическому кирпичу.
Разработанные рецептуры кладочных растворов на основе химических реагентов отечественного производства представляются экономически целесообразными с целью их дальнейшего совместного использования в каменной кладке и улучшения ее работы наряду с керамическим кирпичом на основе полиминеральных глин, приготовленного способом полусухого прессования.
1. Женжурист И.А. Строительная и отделочно-декоративная керамика: перспективы развития // Известия КГАСУ. 2006. № 1(5). С. 50-52.
2. Гончаров Ю.И., Вареникова Т.А. Раз-работка технологии высококачественного кирпича на основе суглинков с повышенным содержанием оксида кальция // Строительные материалы. 2004. №2. С. 19-21.
3. Гринфельд Г.И., Вишневский А.А., Пастушков П.П., Козлов А.Н. Кирпичные фа-сады. Правильные технические решения и примеры успешной реализации // Строитель-ные материалы. 2017. № 4. С. 47-50.
4. Терёхина Ю.В., Талпа Б.В., Кот-ляр А.В. Минералого-технологические осо-бенности литифицированных глинистых по-род и перспективы их использования для про-изводства строительной керамики // Строи-тельные материалы. 2017. №4. С. 8-10.
5. Наумов А.А. Реконструкция и модер-низация заводов по производству кирпича // Строительные материалы. 2017. №4. С. 14-17.
6. Rajamannan B., Kalyana Sundaram C., Viruthagiri G., Shanmugan N. Effects of fly ash addition on the mechanical and ather properties of ceramic // International Journal of Latest Re-search in Science and Technology. 2013. Vol. 2, Issue 1. P. 486-491.
7. Оноприенко Н.Н. Кладочные растворы на основе минеральных вяжущих с полимер-ными добавками: автореф. дис. … канд. техн. наук / Н.Н. Оноприенко. Белгород, 2004. 22 с.
8. Дегтев И.А., Донченко О.М., Тарасенко В.Н. Прочность и деформативность каменной кладки при силовом сжатии: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. 174 с.
9. Оноприенко Н.Н., Рахимбаев Ш.М. Влияние вязкости водорастворимых полиме-ров на их эффективность как компонентов строительных растворов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. №3. С. 62-66.
10. Оноприенко Н.Н. Модификация стро-ительных смесей в аспекте импортозамеще-ния / Наукоемкие технологии и инновации (XXI научные чтения): сб. докл. междунар. науч.-практ. конф.: в 12 ч. (Белгород, 06-07 октября 2016 г.) // Белгородский государ-ственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород: Изд-во БГТУ, 2016. Ч. 2. 2016. С. 141-145.
11. The influence of moisture on the de-formability of cement-polymer adhesive mortar, 2011. Construction and Building Materials: Т. 25. № 6. p. 2948-2954.
12. Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Бели-ков Д.А., Щекина А.Ю. и др. Эффективные сухие смеси для ремонтных и восстанови-тельных работ // Строительные материалы. 2014. №7. С. 82-83.
13. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покры-тий. М.: Химия, 1977. 352 с.
14. Красильников К.Г. Физико-химия собственных деформаций цементного камня. М.: Стройиздат, 1980. 256 с.
15. Цилосани З.Н. Усадка и ползучесть бетона. Тбилиси: Мецниереба, 1979. 230 с.
