Результат интеллектуальной деятельности: Керамическая масса для изготовления клинкерного кирпича.

Изобретение относится к производству строительных материалов и изделий, в частности к стеновому (строительному) и дорожному (мостовому) клинкерному кирпичу, получаемых на основе камнеподобного глинистого сырья - аргиллита и его разновидностей.

Кирпич клинкерный - это изделие, имеющее высокую прочность и низкое водопоглощение, обеспечивающее эксплуатационные характеристики в сильноагрессивной среде и выполняющее функции декоративного материала.

Стеновой клинкерный кирпич выпускается согласно ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия» и предназначен для кладки стен, архитектурных элементов, цоколей, фундаментов, сводов, стен, подверженных большой нагрузке и т.д. Он должен иметь водопоглощение менее 6%, предел прочности при сжатии 30-100 МПа, предел прочности при изгибе - более 4,4 МПа, морозостойкость - не ниже F75.

Дорожный клинкерный кирпич выпускается согласно ГОСТ 32311-2012 «Кирпич керамический клинкерный для мощения» и предназначен для устройства дорог, тротуаров, пешеходных дорожек, архитектурно-декоративных ландшафтных элементов и т.д. Он должен иметь водопоглощение менее 2,5%, предел прочности при изгибе - более 7,5 МПа, морозостойкость - не ниже F200, истираемость - менее 1,5 г/см².

В некоторых источниках в общем виде указывается на возможность получения изделий стеновой керамики на основе аргиллитов - «Временное руководство по проектированию предприятий по производству кирпича и керамических камней. Нормы технологического проектирования» (М., 1989), «Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Глинистые породы» (М., 2007). Однако конкретных рекомендаций, технологических параметров, свойств получаемых изделий в данных источниках не приводится.

Известна керамическая масса, включающая мас. %: аргиллиты - 69,0-74,8; диопсидсодержащая порода - 10-15; стеклобой - 9,5-10,5; гипс строительный - 4,92-5,1; алюминиевая пудра - 0,58-0,6; гидроксид натрия, 2 н. раствор - 29,6-30,0% сверх 100% от сухой смеси, В/Г - 0,42-0,45. Недостатком этой массы является сложный состав, низкая прочность и плотность изделий, и возможность их использования только как теплоизоляционных (см. патент RU 2484063 C1, С04В 38/02; 33/00, опубл. 10.06.13, бюл. 16).

Наиболее близким техническим решением является керамическая масса для изготовления строительного кирпича, включающая аргиллит, туфоаргиллит, железистый кек никелевого производства и воду при следующем соотношении компонентов, масс. %: аргиллит 15,35-17,85, туфоаргиллит 61,4-63,9, железистый кек 2,07-3,73, вода остальное (см. А.С. SU 1768555 A1, С04В 33/00, опубл. 15.10.92, бюл. 38).

Недостатком указанной массы является то, что данная керамическая масса склонна к вспучиванию при температурах обжига 1050-1100°С, изделия на ее основе обладают большим водопоглощением и относительно небольшой прочностью, что не позволяет на ее основе получить клинкерный кирпич.

Задачей изобретения является повышение прочности и снижение водопоглощения изделий, получение стенового и дорожного клинкерного кирпича, отвечающего требованиям нормативных документов на основе камнеподобного глинистого сырья (аргиллитов) за счет введения добавки апатитового концентрата.

Сущность изобретения достигается за счет того, что керамическая масса для изготовления клинкерного кирпича, включающая аргиллит и воду, дополнительно включает апатитовый концентрат при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Технический результат заключается в следующем. Введение апатитового концентрата в тонкодисперсном состоянии способствует улучшению спекания формовочных масс и, соответственно, снижению водопоглощения и повышению прочности обожженных изделий. Это обусловлено тем, что апатитовый концентрат содержит в своем составе минерал апатит, краткая формула которого 3СаО⋅Р₂О₅. Данный минерал является сильным плавнем и минерализатором в процессе спекания. Минерализаторы - это вещества, вводимые в сырьевую смесь в небольшом количестве (от долей %) и активно участвующие в спекании и образовании новых минеральных фаз. Также апатитовый концентрат содержит в своем составе около 15% минерала - нефелин (K₂O⋅3Na₂O⋅2Al₂O₃⋅9SiO₂). Высокое содержание оксидов щелочных металлов делает этот минерал сильным плавнем. Он начинает плавиться при температуре 950°С. Содержание оксида фосфора, оксида кальция и оксидов щелочных металлов в апатитовом концентрате обуславливает его эффективность как активизатора спекания даже при вводе в небольших количествах. Важным является момент, что ввод апатитового концентрата позволяет получить черепок с высокой степенью спекания при температурах до 1100°С. Особенно это важно для керамических масс с повышенным содержанием оксидов железа, какими и являются массы на основе аргиллитов и аргиллитоподобных глин. Это связано с тем, что при температурах выше 1100°С из оксида железа частично происходит удаление кислорода:

3Fe₂O₃=2Fe₃O₄+0,5O_{2 ↑}, или 2Fe₂O₃=4FeO+O_{2 ↑}.

При этом черепок уже в значительной степени уплотнен, поэтому кислород не может свободно удалиться и содействует вспучиванию. Поэтому период спекания при конечных температурах должен проходить достаточно продолжительное время, а это влечет за собой увеличение размеров печей, повышенный расход топлива на обжиг, количества обжиговых вагонеток и т.д., что экономически нецелесообразно. Поэтому обжиг желательно проводить при температурах не выше 1100°С.

При степени измельчения менее 0,5-1,0 мм аргиллиты приобретают удовлетворительные формовочные свойства, способность к интенсивному спеканию при обжиге и к активному взаимодействию между слагающими компонентами, что способствует получению изделий с необходимыми свойствами. Повышенная природная плотность аргиллитов способствует повышенной плотности обожженных изделий, их низкой пористости и водопоглощению.

Характеристика исходных материалов

1. Аргиллиты.

Аргиллиты - камнеподобные породы, не размокающие в воде, образующиеся в результате уплотнения и эпигенеза глин. По минеральному составу аргиллиты практически не отличаются от глин. Согласно ГОСТ 21216-2014 «Сырье глинистое. Методы испытаний» (п. 3.3) сырье глинистое камнеподобное - это плотные и хрупкие глинистые породы влажностью 3-9%, не размокающие или плохо размокающие в воде. К камнеподобному глинистому сырью относят уплотненные и аргиллитоподобные глины, аргиллиты, туфоаргиллиты, глинистые и углистые сланцы, алевролиты, а также переходные разновидности между этими породами. На практике, как правило, все эти породы называют аргиллитами.

В среднем глинистая составляющая аргиллитов представлена в большей мере гидрослюдами (в среднем 50-70%), каолинитом (20-30%), хлоритом (5-15%) и в небольшом количестве могут присутствовать смешаннослойные глинистые минералы. Помимо глинистых минералов в аргиллитах всегда присутствуют кварц, полевые шпаты, слюды, глауконит, опал, халцедон, оксиды железа и целый ряд акцессорных минералов. Часто аргиллиты обогащены углефицированным органическим веществом.

По химическому составу аргиллиты не имеют принципиальных отличий от гидрослюдистых и гидрослюдисто-каолинитовых глин. Усредненный химический состав характеризуется содержанием, % по массе: SiO₂ 52,0-64,0; AI₂O₃ 15,0-24,0; Fe₂O₃ 4,0-7,0; CaO 0,5-7,0; MgO 1,0-3,0; К₂О 2,5-4,5; Na₂O 1,0-2,0. Особенностями являются повышенное содержание оксида алюминия в сравнении с суглинками и оксидов калия и магния, что согласуется с минералогическим составом.

При измельчении аргиллиты приобретают формовочные свойства. Наблюдается прямая зависимость - чем тоньше измельчено сырье, тем выше пластичность и лучше формуемость. Применяемые технологии и используемое оборудование в настоящее время при производстве кирпича позволяют измельчать сырье до фракции 0-0,5 мм. Более тонкое измельчение существенно увеличивает затраты и экономически нерационально. Черепок на основе аргиллитов в сравнении с суглинками и глинами отличается повышенной плотностью и прочностью. Россия располагает крупнейшей сырьевой базой камнеподобного глинистого сырья, однако, несмотря на многие положительные свойства аргиллитов и их большую ценность как сырья для строительной керамики, они не нашли широкого применения в силу ряда объективных и субъективных причин.

2. Апатитовый концентрат.

Апатитовый концентрат является продуктом переработки апатит-нефелиновых руд, служит высококачественным фосфатным сырьем и используется в основном для производства минеральных удобрений и фосфорных соединений. Производится АО «Северо-Западная Фосфорная Компания». Всего согласно ТУ 2111-001-64700723-2014, производится три сорта апатитового концентрата, большая часть которого поставляется на российские химические предприятия. Массовая доля пентаоксида фосфора (Р₂О₅) в пересчете на сухое вещество составляет 38,0-39,0%. Содержание собственно апатита составляет 84-86%. Также в количестве до 15% присутствует нефелин. Зерновой состав на 95% представлен фракцией 0-0,315 мм, при содержании фракции 0-0,16 мм составляет 70-90%. Апатитовый концентрат - негорючее вещество, пылевоздушные смеси пожаровзрывобезопасны.

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемых составов масс были изготовлены стандартные образцы кирпича полнотелого размером 250×120×65 мм и 200×100×62 мм с различным соотношением вышеперечисленных компонентов. В качестве сырья был использован типичный аргиллит Южночеревковского месторождения Ростовской области.

Образцы изготовлялись следующим образом.

Предварительно камнеподобная глинистая порода - аргиллит - измельчалась на щековой дробилке, молотковой дробилке и дезинтеграторе, после чего просеивалась на ситах с заданным размером ячеек до максимальной крупности частиц менее 1 мм. При этом содержание фракции 0-0,5 мм составляло не менее 80%. Затем измельченный аргиллит тщательно перемешивался с апатитовым концентратом в заданном соотношении компонентов и равномерно увлажнялся до нормальной формовочной влажности, которая составляла в среднем 16%. Приготовленная смесь вылеживалась в условиях, исключающих высыхание в течение 6-12 часов, и затем из нее формовались изделия. После сушки в течение 48 часов изделия обжигались с выдержкой при максимальной температуре 1050 и 1100°С 4 часа.

Физико-механические показатели, подтверждающие свойства изделий, полученных на основе керамических масс, включающих аргиллит и апатитовый концентрат, представлены в таблице.

Результаты проведенных испытаний показали, что введение апатитового концентрата более 5,5% не приводит к существенному улучшению свойств изделий и по технико-экономическим причинам это нецелесообразно, так как необходимые свойства изделий уже получены. Без добавки апатитового концентрата получить дорожный клинкерный кирпич нельзя, а стеновой - только при температурах выше 1100°С. Полученные образцы изделий отвечают необходимым требованиям по морозостойкости, а для клинкерного кирпича и по истираемости и кислотостойкости (>95%).