Керамическая масса Российский патент 2023 года по МПК C04B33/04 

Изобретение относится к строительным материалам и изделиям, и, в частности, к производству керамической черепицы, керамической плитки, получаемых на основе камнеподобного глинистого сырья – аргиллитоподобных глин, аргиллитов и глинистых сланцев.

Известна керамическая черепица, выпускаемая согласно ГОСТ 56688-2015 «Черепица керамическая. Технические условия». Применяемое традиционное керамическое сырье обеспечивает получение керамической черепицы с необходимыми прочностными характеристиками с массой 1 м² кровельного покрытия в насыщенном водой состоянии 54 кг -74 кг. Недостатком является относительно небольшая прочность изделий, малый размер изделий и большой вес черепичной кровли. В настоящее время наблюдается тенденция по снижению веса керамической черепицы. Черепица со сниженной массой должна обладать водопоглощением менее 3 % и высокой прочностью самого керамического материала – керамического черепка. Это позволит получать изделия с необходимой прочностью и с меньшей толщиной (в 1,5-2,5 раза), что пропорционально снижает и массу 1 м² кровельного покрытия, сокращает производственные затраты, так как существенно меньше приходится использовать сырья и нести затрат на его переработку, сушку, обжиг изделий. Достичь получения указанных свойств черепицы возможно за счёт использования в качестве сырья камнеподобного глинистого сырья – аргиллитоподобных глин, аргиллитов и глинистых сланцев, при особом соотношении и определённом зерновом (гранулометрическом) составе компонентов.

Известна керамическая масса, включающая мас. %: 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. SU 1768555 A1, C04B33/00, опубл. 15.10.92).

Наиболее близким техническим решением является керамическая масса, включающая аргиллит и воду, дополнительно включает колеманит при следующем соотношении компонентов, масс. %: аргиллит, измельченный до размера зёрен менее 1,0 мм при содержании фракции 0-0,5 мм 80-85 % – 82,0–84,5; колеманит – 0,5-2,5; вода 15,0-15,5 (см. патент RU 2 709 267 С1, C04В 33/04, опубл. 27.12.2019).

Недостатком указанной массы является то, что за счёт содержания колеманита (минерал, водный борат кальция с гидроксильной группой) продукция из данного сырья имеет высокие производственные затраты, относительно низкие показатели предела прочности при изгибе и большое значение водопоглощения, что не позволяет получать изделия с небольшой толщиной и массой.

Задачей данного изобретения является снижение массы керамических изделий, показателя водопоглощения и повышение прочности керамических материалов.

Сущность изобретения заключается в том, что керамическая масса, включающая аргиллит, воду, дополнительно содержит глинистый сланец фракции 0,1 – 1,5 мм, при следующем соотношении компонентов, масс. %:

аргиллит, измельченный до размера зёрен менее 1,0 мм при содержании фракции 0-0,5 мм 80-85 % 35,0-45,0 глинистый сланец фракции 0,1-1,5 мм 38,0-51,0 вода 14,0-17,0

Технический результат заключается в следующем. Тонкое измельчение аргиллита или аргиллитоподобной глины обеспечивает более сильное спекание, в результате чего не требуется ввод колеманита, а спёкшаяся стекловидная масса по структурным признакам является матрицей для минеральных армирующих компонентов. Ввод глинистых сланцев фракции 0,1-1,5 мм, имеющих сланцеватую текстуру и пластинчатую форму зёрен и при обжиге которых образуются минералы, имеющие игольчатую и пластинчатую форму (андалузит, силлиманит, шпинели, муллит), обеспечивает повышенный предел прочности при изгибе, выступая армирующим компонентом в стекломатрице. Такую структуру материала можно назвать матричной и характеризовать соотношением стекло- и минеральной фаз.

Важным моментом является то, что глинистые сланцы начальной стадии метаморфизма (кровельные, аспидные сланцы) даже в естественном виде имеют низкое водопоглощение до 1,0-1,3 %, высокую прочность (предел прочности при сжатии перпендикулярно слоистости до 150 МПа, при изгибе 30-60 МПа), высокую морозостойкость. При обжиге сланцев водопоглощение уменьшается, а прочность ещё более увеличивается. Кроме того, при формовании изделий, а более предпочтительным является пластический экструзионный способ, пластинчатые зёрна сланца должны располагаться параллельно лицевой плоскости изделий, т.е. как бы формировать микросланцеватую структуру самих изделий. Для получения зёрен сланца пластинчатой формы при подготовке сырьевых необходимо применять ударный способ измельчения, который применяется на различных видах измельчительного оборудования.

При тонком измельчении аргиллиты и аргиллитоподобные глины приобретают пластичность, связующие и хорошие формовочные свойства, способность к интенсивному спеканию при обжиге и формированию прочного контакта с зёрнами сланца, что способствует получению изделий с необходимыми свойствами – повышенная прочность, низкое водопоглощение, морозостойкость.

Характеристика исходных материалов

1. Аргиллиты и аргиллитоподобные глины.

Аргиллиты и аргиллитоподобные глины – камнеподобные породы, не размокающие или плохо размокающие в воде, образующиеся в результате диагенеза глин. По минеральному составу они 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 с влажностью 3–9%, не размокающие или плохо размокающие в воде.

В среднем, глинистая составляющая аргиллитов и аргиллитоподобных глин представлена в большей мере гидрослюдами (в среднем 40–70 %), каолинитом (20–40 %), хлоритом (10–20 %). В небольшом количестве могут присутствовать смешаннослойные глинистые минералы и монтмориллонит. Помимо глинистых минералов всегда присутствуют слюды, кварц, полевые шпаты, глауконит, опал, халцедон, оксиды железа и целый ряд акцессорных минералов. Часто данные породы обогащены углефицированным органическим веществом.

По химическому составу аргиллиты и аргиллитоподобные глины не имеют принципиальных отличий от гидрослюдистых и гидрослюдисто-каолинитовых глин. Особенностями являются повышенное содержание оксида алюминия в сравнении с суглинками, и оксидов калия и натрия, что согласуется с минералогическим составом. Повышенное содержание щелочей обеспечивает низкотемпературное спекание, а повышенное содержание оксида алюминия широкий интервал спекания.

При измельчении аргиллиты и аргиллитоподобные глины приобретают хорошие формовочные свойства. Наблюдается прямая зависимость – чем тоньше измельчено сырьё, тем выше пластичность и лучше формуемость. Применяемые в настоящее время технологии и используемое оборудование при производстве керамики позволяет измельчать сырьё по сухому способу без существенных затрат до фракции менее 1,0 мм при содержании фракции 0-0,5 мм 80-85 %. Более тонкое измельчение существенно увеличивает затраты и экономически не рационально. Черепок на основе аргиллитов и аргиллитоподобных глин в сравнении с суглинками и глинами отличается повышенной плотностью и прочностью. Россия располагает крупнейшей сырьевой базой аргиллитов и аргиллитоподобных глин. На юге России это Предкавказье, Кавказ, Восточный Донбасс. Кроме того, данные породы имеют широкое распространение на Урале, юге Западной Сибири и в других регионах. Однако несмотря на многие положительные свойства аргиллитов и аргиллитоподобных глин, их большую ценность как сырья для строительной керамики, они не нашли широкого применения в силу ряда прежде всего субъективных причин и малой изученности в этом направлении.

2. Глинистые сланцы.

Глинистые сланцы по химическому составу практически не отличаются от аргиллитов и аргиллитоподобных глин, однако в силу более высокой степени преобразований (начальная стадия метаморфизма) имеют чётко выраженную сланцеватую текстуру и минеральный состав, который характеризуется наличием хлоритов, каолинита, слюд, полевых шпатов. Ориентация частиц и зёрен минералов, как правило, строго параллельно. В силу более высокой стадии преобразований, особенностей структуры и текстуры не размокает в воде и практически не обладает пластичностью даже в тонкоизмельчённом состоянии. Глинистые сланцы находятся в ассоциации с аргиллитами, но за счёт большей глубины погружения подвергались более высокому воздействию температур и давления (200-300 ^оС и всего субъективных 80-150 МПа) и относятся, как правило, к более раннему возрасту. Глинистые сланцы обладают высокой плотностью и прочностью (предел прочности при сжатии перпендикулярно слоистости до 150 МПа, при изгибе 30-60 МПа). По строению, физическим свойствам и минеральному составу выделяют различные виды сланцев. Россия располагает крупнейшей сырьевой базой сланцев. Регионы их распространения такие же, как и для аргиллитов. Огромные запасы глинистых сланцев в виде терриконов накопились на Донбассе при добыче угля в глубоких шахтах. Однако несмотря на многие положительные свойства глинистых сланцев, их ценность как сырья для строительной керамики, они не нашли широкого применения в силу ряда прежде причин и малой изученности в этом направлении.

Пример. Для экспериментальной проверки заявляемых составов были изготовлены лабораторные образцы керамических масс, образцы штампованной черепицы с экструзионной подготовкой заготовок и образцы плитки с пластическим экструзионным способом формования с различным соотношением вышеперечисленных компонентов. В качестве сырья был использован типичный аргиллит Замчаловского месторождения Ростовской области и глинистый сланец отвала шахты Обуховская.

Образцы изготовлялись следующим образом.

Предварительно аргиллит измельчался в заводских условиях на молотковой дробилке, специально разработанной для камневидного глинистого сырья оснащенной системой принудительной загрузки и системой подогрева отбойника во избежание налипания измельчённого аргиллита, и затем в шаровой мельнице до заданного зернового состава (1,0 мм при содержании фракции 0-0,5 мм 80-85 %). Глинистый сланец также измельчался в заводских условиях на валковой дробилке (вальцы) с гладкими валками, которая обеспечивает методом раздавливания степень измельчения материала фракции менее 1,5 мм с выходом фракции 0,1-1,5 мм более 95 %, при этом зёрна измельчаемого материала имеют преимущественно пластинчатую и таблитчатую форму, что необходимо для формирования особой структуры керамического камня. Положительное влияние на прочностные свойства керамических изделий применения глинистых сланцев фракции 0,1-1,5 мм приведено в таблице 1.

Таблица 1

Влияние зернового состава глинистых сланцев на прочность изделий (температура обжига 1050^оС, измельчение аргиллитов до фракции 1,0 мм при содержании фракции 0-0,5 мм 80-85 %).

Состав массы,% Зерновой состав глинистого
сланца, мм Предел прочности при изгибе, МПа Аргиллит Глинистый сланец Вода 40 44,5 15,5 0,1-0,5 55,8 0,1-1,0 60,7 0,1-1,5 64,4 0,1-2,0 45,1 0,1-2,5 32,3

Затем измельченные породы в заданном соотношении тщательно перемешивалась и смесь равномерно увлажнялась до нормальной формовочной влажности, которая составляла в среднем около 17,5 %. Приготовленная смесь вылеживалась в условиях, исключающих высыхание, в течение 6-12 часов и затем из неё формовалась плитка экструзионным способом, а черепица формовалась в два этапа: в начале формовалась заготовка в виде плитки экструзионным способом, а затем способом штампования формовалась собственно черепица. После сушки в течение 12 часов изделия обжигались с выдержкой при максимальной температуре 1000 и 1050 ⁰С 1 час.

Физико-механические показатели, подтверждающие свойства изделий полученных на основе керамических масс, включающих аргиллит и глинистые сланцы, представлены в таблице 2.

Результаты проведённых испытаний показали, что керамический черепок и изделия на основе разработанных составов масс обладают повышенным пределом прочности при сжатии и изгибе, низким водопоглощением и высокой морозостойкостью. Повышенная прочность предполагает выпуск плитки и черепицы малой толщины и соответственно массы, что существенно снизит себестоимость производства. Исключение колеманита из состава сырьевых масс также существенно сократит стоимость.

Таблица 2

Составы и свойства изделий

№ Состав предлагаемый, % по массе Физико-механические характеристики Температура обжига, ^оС Аргиллит Глинистый сланец Колеманит Вода Предел прочности при сжатии, МПа Предел прочности при изгибе, МПа Водопоглощение, % Морозостойкость, марка 1 1000 34,0 52,0 - 14,0 98,2 17,2 5,74 F100 2 35,0 51,0 - 14,0 181,6 44,7 3,34 F100 3 40,0 44,5 - 15,5 190,9 54,4 1,97 F300 4 45,0 38,0 - 17,0 185,3 42,3 1,50 F300 5 46,0 37,0 - 17,0 118,8 36,1 2,45 F300 1 1050 34,0 52,0 - 14,0 139,6 32,2 3,70 F100 2 35,0 51,0 - 14,0 192,3 37,6 0,49 F300 3 40,0 44,5 - 15,5 197,8 64,4 0,26 F400 4 45,0 38,0 - 17,0 195,7 59,2 0,31 F400 5 46,0 37,0 - 17,0 170,6 55,3 1,67 F300 Состав известный - п. RU 2709267 1 1000-1050 81,5-84,7 - 0,3-3,0 15,0-15,5 45,8-188,3 14,9-54,2 0,28-6,85 F75-300

Изобретение относится к строительным материалам и изделиям, в частности к производству керамической черепицы, керамической плитки, получаемых на основе камнеподобного глинистого сырья – аргиллитоподобных глин, аргиллитов и глинистых сланцев. Керамическая масса, включающая аргиллит и воду, дополнительно содержит глинистый сланец фракции 0,1-1,5 мм при следующем соотношении компонентов, масс.%: аргиллит, измельченный до размера зёрен менее 1,0 мм (при содержании 80-85% фракции 0-0,5 мм) 35,0-45,0, глинистый сланец фракции 0,1-1,5 мм 38,0-51,0, вода 14,0-17,0. Технический результат: снижение показателя водопоглощения и повышение прочности керамических изделий. Повышенная прочность обеспечивает возможность выпуска плитки и черепицы малой толщины. 1 пр., 2 табл.

Керамическая масса, включающая аргиллит, воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит глинистый сланец фракции 0,1-1,5 мм при следующем соотношении компонентов, масс.%:

аргиллит, измельченный до размера зёрен менее 1,0 мм при содержании фракции 0-0,5 мм 80-85 % 35,0-45,0 глинистый сланец фракции 0,1-1,5 мм 38,0-51,0 вода 14,0-17,0