Модифікація поверхні та підвищення властивостей керамічної цегли

Размещено на http://www.allbest.ru/

міністерство ОСВІТИ І науки україни

національний технічний університет України

«київський політехнічний інститут»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Модифікація поверхні та підвищення властивостей керамічної цегли

Спеціальність 05.17.11 - технологія тугоплавких неметалічних матеріалів

Варшавець Петро Григорович

Київ - 2014

анотації

Варшавець П.Г. - Модифікація поверхні та підвищення властивостей керамічної цегли. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 - технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2014.

Дисертацію присвячено розробці наукових засад технології просочення керамічної цегли кремнійорганічними та акриловими сполуками для покращення її експлуатаційних властивостей та попередження утворення висолів на поверхні виробів.

Досліджено особливості складу, структури і змочуваності поверхні лицьової керамічної цегли основних виробників різних регіонів України, процеси взаємодії керамічного матеріалу з водою і утворення висолів. Розглянуто та науково обґрунтовано фізико-хімічні закономірності і особливості перебігу процесів просочення керамічних матриць різного хімічного складу і структури.

Сформульовані вимоги і розроблено екологічно безпечні просочуючі препарати на акриловій і кремнійорганічній основі для мінімізації висолоутворення та покращення фізико-технічних характеристик керамічної цегли та споруд з неї.

Розроблено технологічні принципи застосування просочуючих препаратів і дана кількісна оцінка експлуатаційної надійності модифікованої цегли. Дослідно-промисловими випробуваннями та впровадженням на об'єктах сучасного будівництва підтверджена ефективність виконаних науково-технічних розробок.

Ключові слова: цегла керамічна, сировина глиниста, склад, солі водорозчинні, структура, змочування, властивості поверхні, просочення, характеристики виробів.

Варшавец П.Г. - Модификация поверхности и повышение свойств керамического кирпича. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.11 - технология тугоплавких неметаллических материалов. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2014.

Диссертация посвящена разработке научных основ ттехнологии пропитки керамического кирпича кремнийорганическими и акриловыми соединениями для улучшения его эксплуатационных свойств и предупреждения образования высолов на поверхности изделий.

Исследованы особенности состава, структуры и смачиваемости поверхности керамического кирпича основных производителей разных регионов Украины, процессы взаимодействия керамического материала с водой и образования высолов. Рассмотрены и научно обоснованы физико-химические закономерности и особенности протекания процессов просачивания керамических матриц разного химического состава и структуры.

Сформулированы требования и разработаны экологически безопасные пропитывающие препараті на акриловой и кремнийорганической основе для минимизации высолообразования и повішения физико-технических характеристик керамического кирпича и зданий из него.

Разработаны технологические принципы применения пропитывающих препаратов и дана количественная оценка эксплуатационной надежности модифицированного кирпича. Опытно-промышленными испытаниями и внедрением на объектах современного строительства подтверждена эффективность выполненных научно-технических разработок.

Ключевые слова: кирпич керамический, сырье глинистое, состав, соли водорастворимые, структура, смачивание, свойства поверхности, просачивание, характеристики изделий.

Varshavets P.G. - Modification of surface and increase of properties of ceramic brick. - Manuscript.

Thesis for the candidate of technical sciences degree in speciality 05.17.11 - technology of hard-melting nonmetallic materials. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2014.

Thesis is devoted to the development of scientific basis for the technology of ceramic brick's impregnation with organic-silicone and acrylic compounds to improve its performance properties and to prevent the formation of efflorescence on the surface of products.

Composition, structure and surface wettability features for ceramic bricks of main manufacturers from different regions of Ukraine, interaction processes of ceramic material with water and efflorescence formation were researched. Physical & chemical regularities and particularities of processes behavior for infiltration of ceramic matrices of different chemical composition and structure were examined and scientifically proven. Comparative assessment of the content of structure-forming crystalline and amorphous phases in the material of ceramic facing brick was given. Energy state of material surface was analyzed by wettability index. It was shown that the pore structure is characterized by the total volume within limits 10,2-28,2 % (for open pore structure - 9,9-20,4 %, the size of open capillary pores is 2,3-25,2 nanometer). The dependence of physical & mechanical properties of bricks on the development degree of its porous structure was shown.

It was found that composition, pore structure and energy state of the surface are the determining factors in the interaction processes of ceramic bricks with water, aqueous solutions and water vapor. Diagram for the sequence of specified interaction's process behavior was proposed. The analysis of qualitative and quantitative composition of efflorescence on the facing brick surface was carried out. Linking between the development level of brick's pore structure and the efflorescence formation on brick's surface was found. It was mentioned that chemical composition of the mineral binder (the content of calcium cations and sulfate anions) used for masonry walls, has a significant influence on the efflorescence formation; the quantitative estimation of this factor was given.

The requirements to develop effective methods to minimize efflorescence formation in the selection of the raw materials for bricks production, to prevent diffusion processes in the pore structure, and to decrease the content of ions Ca2+ and SO42 in the composition of mineral binders, were formulated.

The number of environmentally friendly infiltrating products of type “Acrylic and Organic-silicon Based Facade”. Intensity and completeness for behavior of processes of infiltration by these products are determined by their physical & chemical properties, composition and structure of the ceramic matrix and conditions for process carrying out. It was given the quantitative and qualitative assessment of interaction processes between Facade type products and ceramic matrices on displacement and change in the intensity of bands in the infra-red spectra of ceramics corresponding to vibration of bonds Si-O-Si, Si-O-Al and adsorbed water.

It was found that the pore structure of the ceramic brick as a result of infiltration with Facade products is characterized by a decrease of open porosity and an increase of closed porosity. Processes of interaction between brick material treated by product like Facade, and water in a different aggregative state were researched, and the dependence of water absorption and water loss on the product concentrations was shown. Analysis of water adsorption impact (by the level of softening coefficient) on the physical & mechanical performance of brick treated with products like Facade, was carried out.

Quantitative evaluation of the probability of salt secretion on the brick surface in different operating conditions (after capillary suckdown, salt weathering) was given. It was fundamentally shown that impregnation of brick by Facade products allows prevent the tendency to efflorescence formation, ensure its stable thermal conductivity and frost-resistance.

Estimation methodology for the stability level of modified ceramics properties during operation using the method of accelerated aging was proposed. By analyzing the changes in the wettability of ceramics surface during accelerated aging, effectiveness rows of developed products like Facade by the impact on the hydrophilic property and water adsorption were determined. Quantitative evaluation of intermolecular interaction processes during accelerated aging of modified brick by level of changes in the parameters of IR absorption bands, which are characteristic for valence vibrations of adsorbed water, chemical bonds Si-O-Si and Si-O-Al, was given.

Process principles for the use of impregnating products were developed, and quantitative evaluation of the operational reliability of the modified brick was given. The effectiveness of executed scientific & technical developments was confirmed by pilot testing and implementation at the facilities of modern construction.

Key words: facing brick, raw material clay, composition, water-soluble salts, structure, moistening, properties of surface, seepage, properties of wares.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в ДП «Український науково-дослідний та проектно-конструк-торський інститут будівельних матеріалів та виробів «НДІБМВ», м. Київ та в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» на кафедрі хімічної технології композиційних матеріалів.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Свідерський Валентин Анатолійович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри хімічної технології композиційних матеріалів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гивлюд Микола Миколайович, Національний університет «Львівська політехніка», професор кафедри будівельного виробництва

кандидат технічних наук Пітак Олег Ярославович, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», старший викладач кафедри охорони праці та навколишнього середовища

Захист відбудеться « » червня 2014 р. о 14:30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.24 у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий « » квітня 2014 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.24 к.т.н., доцент В.В. Глуховський.

загальна характеристика РОБОТИ

Актуальність теми. Керамічні цегла, камені і блоки за своїми фізико-технічними показниками та завдяки розповсюдженості виробництва традиційно займають вагоме місце серед будівельних виробів відповідного функціонального призначення.

Довговічність конструкцій з використанням таких матеріалів залежить від складу і стабільності фізико-хімічних властивостей останніх та рівня впливу факторів оточуючого середовища. В процесі експлуатації цегляних споруд при змінах температури і вологи виникають дефекти, зокрема висоли, що суттєво погіршують архітектурну виразність і негативно впливають на фізико-технічні властивості мурованих фасадів. Сприяє цьому також і різноманітна сировинна база виробництва керамічних стінових матеріалів, яка, в основному, пов'язана з використанням місцевих низькосортних глин, що містять розчинні у воді сульфати та хлориди лужних і лужноземельних металів. При міграції останніх на поверхні виробів можливе утворення висолів. Ці дефекти також мають місце або підсилюються за рахунок дифузії лугів з цементних розчинів.

Традиційно для захисту будівель від руйнування застосовують фарби, штукатурку і личкувальні матеріали. Як показує досвід, традиційний захист не завжди ефективний в боротьбі з сольовою корозією.

Існуючі заходи по мінімізації виникнення і негативних проявів вказаних дефектів цегляного муру мають, головним чином, емпіричну основу і недостатньо ефективні. Ефективність таких розробок може бути забезпечена шляхом регулювання властивостей поверхні і порової структури стінових керамічних виробів при їх виготовленні та експлуатації.

Одним з найбільш ефективних способів захисту керамічної цегли від деструктуючої дії вологи і солей є просочування її екологічно безпечними хімічними сполуками поліфункціональної дії (гідрофобізуючої, зміцнюючої, біоцідної, тощо). Наслідком є значне покращення експлуатаційних характеристик, збільшення терміну служби конструкцій, а зменшення втрат тепла на 27-30 %. Проте системні дослідження впливу нового покоління просочуючих складів на експлуатаційні властивості, корозійну стійкість і довговічність будівельних матеріалів, зокрема керамічної цегли, практично відсутні. Характер їх взаємодії з матеріалами такого класу також не вивчений, що, в основному, і стримує їх широке впровадження.

Зв'язок роботи з науковими темами, планами, програмами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планами науково-дослідної діяльності ДП «НДІБМВ» і кафедри хімічної технології композиційних матеріалів НТУУ "КПІ" у рамках господарчих договірних тем № 439.03-2003 «Проведение комплекса исследований свойств строительных материалов, обработанных пропиткой типа Фасад (ДР № 0305U001473), № 681-2003 «Ускоренные испытания краски Фасад и гидрофобизирующих пропиток на атмосферостойкость» (ДР № 0103U008542), № 308.06-2006 «Выполнить анализ эффективности применения защитных гидрофобных покрытий стеновых материалов» (ДР № 0304U004673), № 37-2012 «Встановлення ефективності просочуючих розчинів для цегли», "Дослідження порової структури та поверхневих властивостей цегли" (ДР № 0305U005533), в яких здобувач був відповідальним виконавцем і виконавцем окремих етапів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка наукових засад технології просочення керамічної цегли кремнійорганічними та акриловими сполуками для підвищення її експлуатаційних властивостей та попередження утворення висолів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- оцінити взаємозв'язки між мінералогічним складом параметрами порової структури і рівнем фізико-технічних властивостей керамічної цегли основних виробників різних регіонів України;

- проаналізувати вплив енергетичного стану поверхні цегли і характеру пористості цегли на процеси взаємодії з водою, дати кількісну і якісну оцінку процесів висолоутворення вихідної керамічної цегли і в складі муру;

- сформулювати вимоги до просочуючих складів і визначити ефективні відносно керамічної цегли та оптимальні параметри процесів просочення в залежності від властивостей останньої;

- дослідити ефективність застосування кремнійорганічних і акрилових просочуючих складів в частині фізико-технічних властивостей та схильності до висолоутворення цегли і проаналізувати процеси їх взаємодії з керамічною матрицею;

- дати оцінку рівня стабільності основних фізико-технічних параметрів і схильності до утворення висолів просоченої цегли та деструкції акрилових і кремнійорганічних препаратів в процесі експлуатації;

- розробити технологічні принципи застосування просочуючих складів для підвищення експлуатаційних і декоративних властивостей керамічної цегли з врахуванням фізико-хімічних особливостей останньої.

Об'єкт дослідження - фізико-хімічні процеси просочення керамічної цегли з природної полімінеральної глинистої сировини різних регіонів України кремнійорганічними і акриловими складами.

Предмет досліджень - закономірності формування фізико-технічних і експлуатаційних властивостей та схильності до висолоутворення модифікованої керамічної цегли різного мінералогічного складу, порової структури, енергетичного стану поверхні.

Методи досліджень - хімічний склад глинистої сировини і висолів, фізико-технічні та експлуатаційні властивості керамічної цегли визначали згідно з діючими нормативно-технічними документами. Змочуваність водою оцінювалась за допомогою інструментальних методів. Структура і фазовий склад досліджуваних матеріалів визначались за допомогою рентгенофазового, петрографічного, повного термічного та інфрачервоного методів фізико-хімічного аналізу. Обробка результатів експериментів здійснювалась при застосуванні методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Теоретично обґрунтовано фізико-хімічні закономірності і особливості перебігу процесів просочення керамічної цегли різного складу і структури кремнійорганічними і акриловими сполуками з метою покрашення їх фізико-технічних властивостей та попередження висолоутворення.

Вперше:

- проведено аналіз залежностей між складом і поровою структурою та рівнем фізико-технічних властивостей керамічної цегли різних регіонів України;

- встановлено, що вирішальним фактором в процесах взаємодії керамічних матриць з водою є хімічний склад, порова структура та енергетичний стан поверхні останніх. Запропонована схема послідовності протікання вказаних процесів;

- встановлено якісний і кількісний склад висолів на поверхні цегли різного складу і встановлено наявність зв'язку між рівнем розвитку порової структури та висолоутворення. Сформовані вимоги до складів для попередження утворення та розвитку висолів;

- запропонована система екологічно безпечних просочуючих складів Фасад на акриловій та кремнійорганічній основах для покращення фізико-технічних властивостей цегли та попередження висолоутворення. Визначені кількісні параметри процесів просочення (питомі витрати реактивів 0,04 - 1,40 кг/м?, глибина проникнення 0,5 - 5,5 мм, час) та фактори, які визначають інтенсивність і повноту їх протікання;

- встановлено, що взаємодія препаратів Фасад з керамічними матрицями протікає за участю зв'язків Si-O-Si, Si-O-Al та ОН-груп останніх. При цьому збільшується закрита пористість цегли (до 16%), стабілізуються фізико-механічні властивості у водонасиченому стані, повністю попереджається схильність до висолоутворення, забезпечується стабільна теплопровідність та морозостійкість:

- оцінено стабільність захисної дії препаратів Фасад в умовах прискореного старіння. Із врахуванням зміни змочуваності поверхні, кількості адсорбованої води, ступенів міжмолекулярної взаємодії за участю зв'язків Si-O-Si, Si-O-Al дана їх порівняльна оцінка.

Практичне значення одержаних результатів. На основі проведених досліджень фізико-хімічних закономірностей і особливо перебігу процесів просочення керамічної цегли різного хімічного складу і структури визначено ефективні види складів Фасад для покращення її фізико-технічних властивостей і попередження висолоутворення.

Розроблено технічні умови, технологічні регламенти процесів обробки глиняної цегли різних регіонів України складами Фасад.

Ефективність виконаних розробок перевірено в дослідно-промислових умовах діючих цегельних підприємств і на об'єктах будівництва в процесі їх експлуатації. Економічний ефект від впровадження розробок дисертації виражається підвищенням довговічності фасадів з лицьової цегли, зменшенням витрат на ремонт та відновлювальні роботи, скороченні питомих витрат теплоенергії при експлуатації споруд і складає 1.9 млн. грн.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що викладені в дисертації та винесені на захист, одержано здобувачем особисто або колективом фахівців за його участю. Серед них: формулювання задач досліджень, їх реалізація з наступним осмисленням, математичною обробкою та інтерпретацією одержаних результатів у вигляді закономірностей і висновків, безпосередній участі у відпрацюванні технології просочування в промислових умовах. В спільні публікації за темою дисертації здобувачем внесено значний вклад, як при проведенні експериментальних досліджень, так і при безпосередній підготовці публікацій за результатами досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: міжнародній науково-практичній конференції «Зовнішні огороджуючі конструкції. Фасади. Фасадні системи. Будівельні матеріали та вироби для них» (Київ, 2003 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні керамічні матеріали та вироби» (Київ, 2006 р.),V международной научно-технической WEB-конференции «Композиционные материалы» (Київ, 2012 р.), VIII міжнародної конференції «Стратегия качества в промышленности и образовании» (Варна, 2012 р.), XXIII Международной заочной научно-практической конференции "Инновации в науке" (Россия, Новосибирск, 2013 г.), наукових радах ДП «Український науково-дослідний і проектно-конструкторський інституту будівельних матеріалів і виробів «НДІБМВ» (Київ, 2006-2011 р.р.), науково-технічних семінарах кафедри товарознавства та комерційної діяльності у будівництві Київського національного університету будівництва і архітектури (Київ, 2010-2011р.р.), кафедри хімічної технології композиційних матеріалів Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» (Київ, 2012-2013 р.р.).

Публікації. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи опубліковано у 15 наукових працях, серед них 9 статей у фахових виданнях України, 1 патент України та 4 тези доповідей у збірниках матеріалів конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, додатків. Повний обсяг дисертації складає 331 сторінку; 36 ілюстрацій по тексту; 44 таблиці по тексту, 4 таблиці на 4 сторінках; 4 додатки на 128 сторінках; 174 найменування використаних літературних джерел на 16 сторінках.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету досліджень та шляхи її досягнення, викладено наукову новизну та практичну цінність роботи, результати її реалізації в промисловості, надано загальну характеристику роботи.

Перший розділ присвячено аналізу науково-технічної літератури з сучасного стану питань сировинної бази, структуроутворення, спікання, розвитку технології і виробництва стінової кераміки, уявлень про фактори, що визначають ефективність виробництва керамічної цегли та її застосування у сучасному будівництві.

Розглянуто основні чинники корозії керамічних будівельних матеріалів (вода, від'ємні температури, сольова корозія) і методи їх мінімізації в частині запобігання появі висолів на поверхні виробів. Проаналізовано основні способи захисту будівельних матеріалів від корозії.

На основі аналізу даних з інформаційних джерел визначені задачі, які необхідно вирішити в роботі для досягнення поставленої мети.

У другому розділі сформульовано теоретичні посилання до вибору об'єктів дослідження. В якості таких була вибрана цегла провідних виробників різних регіонів України: західного - Івано-Франківська обл. (ТОВ «Західклінкергруп», м. Новий Розділ і ТОВ «Керамікбудсервіс», с. Загвіздя), центрального - м. Київ і Київська обл.. (ПАТ «Корчуватський комбінат будівельних матеріалів» і ТОВ «Білоцерківські будматеріали», м. Біла Церква) та східного - Сумська обл. (ПАТ «Слобожанська будівельна кераміка», м. Ромни).

Характеристики глинистої сировини, фізико-технічні і експлуатаційні властивості досліджуваних матеріалів визначались згідно з діючими стандартами із застосуванням сучасних взаємодоповнюючих методів фізико-хімічного аналізу силікатів. Мікроструктуру матеріалу і крайові кути змочування поверхні досліджувались за допомогою поляризаційного МІН-8 та інструментального мікроскопів. Методи рентгенофазового (ДРОН-3М), термічного (МОМ-1500) та інфрачервоного («Specord IR-75») аналізів застосовувались для вивчення складу і структури керамічної цегли та просочуючих препаратів, процесів взаємодії кераміки з просочуючими препаратами та змін в процесі експлуатації.

Дослідження проводились із залученням методів математичного планування (повнофакторного експерименту), а також статистичної обробки даних

Обрана для дослідження і тестування керамічна цегла відрізняється вихідною сировиною та технологічними параметрами виробництва. При принципово однаковій технології пластичного формування шихтові склади відрізняться за різновидами та концентрацією глинистих компонентів і опіснюючих. Щодо глинистої складової шихти, то загальною ознакою є комплексне застосування місцевих легкоплавких полімінеральних глин, лесу і суглинків з якісними тугоплавкими гідрослюдисто-каолінітовими глинами родовищ Донбасу або з каоліном-сирцем Глуховецького родовища Вінницької області.

Показано відмінності в хімічному складі глинистої сировини для виробництва цегли. Так, для західного регіону вміст SiO2 складає 54,4 - 68,2 мас.%, СаО 0,8 - 7,6 мас.%, а середній вміст водорозчинних солей 1,4 - 6,41 мг-екв/100 г, центрального відповідно 38,6 - 75,8 і 0,5 - 20,7 мас.% та 2,4 - 36,6 мг-екв/100 г та східного 68,6 - 78,1 і 3,2 - 4,1 мас.% та 3,4 - 5,8 мг-екв/100 г. Отримані дані відносно хімічного складу глинистої сировини, вмісту водорозчинних солей та якісна і кількісна оцінка останніх в складі кераміки дозволяють визначити граничні умови їх впливу на можливості висолоутворення з боку керамічної матриці в складі муру.

З врахуванням фізико-хімічних та експлуатаційних властивостей для розробки складів просочуючих цеглу препаратів як речовин-модифікаторів поверхні керамічного матеріалу як засобу мінімізації дефектів (висолоутворення), були застосовані сучасні ефективні гідрофобізатори провідних виробників: Axilat PR 3500 (аніонна водна емульсія акрилового сополімеру високої дисперсності), Silres BS 16 (водний розчин метилсиліконату натрія), Silres BS 1001 (водна емульсія суміш силанів і силоксанів), Axilat DS 910 (аніонна водна емульсія сополімеру акрилового ефіру та стиролу), що відрізняються фізико-хімічними характеристами..

У третьому розділі представлено результати комплексних досліджень складу, структури і фізико-технічних властивостей керамічної цегли виробників різних регіонів України.

Визначальними факторами експлуатаційної надійності цегли можуть бути хімічний і мінералогічний склад кераміки, її структура, дефектність, пов'язана із взаємодією з водою та водними розчинами.

Особливості шихтового складу мас, що застосовується виробниками лицьової цегли в Україні, обумовлюють їх хімічний склад (табл. 1).

Таблиця 1. Хімічний склад шихти для виготовлення цегли

Цегла	Вміст оксидів, мас. %
	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	Na2O	K2O	В.п.п.
ТОВ "Білоцерківські будматеріали"
червона	67,34	13,62	3,81	0,88	3,22	1,18	0,56	1,70	7,41
жовта	68,83	14,82	2,17	0,95	2,65	1,23	0,66	2,19	6,35
ПАТ «Корчуватський комбінат будматеріалів»
червона	48,69	8,62	3,69	0,72	15,72	2,47	0,40	1,98	15,55
жовта	56,00	10,65	3,18	0,77	12,41	2,14	0,45	1,80	11,83
ПАТ «Слобожанська будівельна кераміка»
червона	75,50	10,73	2,56	0,66	2,68	0,55	0,63	1,59	4,38
жовта	72,16	14,66	1,99	0,78	1,62	0,53	0,56	2,06	4,73
ТОВ «Західклінкергруп»
червона	77,20	12,40	2,33	0,88	0,80	0,47	0,25	1,10	4,73
жовта	78,15	11,90	0,98	1,16	0,60	0,42	0,35	1,20	5,03

Мінералогічний склад шихти для виробництва лицьової цегли є якісно близьким, проте визначаються певні відмінності. Так, проба білоцерківської шихти для виготовлення жовтої цегли відрізняється від аналогічного призначення слобожанської суттєво більшим вмістом каолініту і кальциту при дещо меншому включенні польового шпату Проба слобожанської шихти для виготовлення жовтої цегли відрізняється від шихти для виготовлення червоної цегли суттєво більшим вмістом каолініту при дещо меншому включенні кальциту.

Встановлено, що досліджувана цегла характеризується відносно незначним ступенем спікання при випалі в інтервалі максимальної температури 1000-11200С. Після випалу кристалічна фаза цегли представлена кварцом на рівні 95,3 - 97,3 мас.% в складі корчуватської, новороздільської та червоної цегли СБК і з мінімумом (90,1 мас.%) в івано-франківської. Кількість польових шпатів складає 2,7 - 7,9 мас.%. Крім того, в складі червоної цегли західного регіону присутній гематит (1,8 - 2,7 мас.%). Максимальний вміст склофази зафіксовано в складі цегли «Керамікбудсервіс», а мінімум - корчуватської.

За даними ІЧ-спектроскопії Найбільш інтенсивні смуги поглинання фіксуються в діапазоні 1068 - 1087 см1 (валентні коливання зв'язку Si-O-Si) для івано-франківської та корчуватської цегли і в 1,64 рази меншої інтенсивності для білоцерківської (рис. 1). Співставлення даних РФА та ІЧ-спектроскопії дозволяє стверджувати про максимальний загальний вміст SiО2 в складі останньої.

Інтенсивність коливань зв'язків Si-O-Al (768 - 781 см1) в 5-7 разів менша в порівнянні з Si-O-Si. Значно нижчі і кількісні параметри смуг поглинання для адсорбованої води в складі цегли (3412 - 3441 та 1616 - 1679 см1). Максимальна її кількість відмічена для білоцерківської, а мінімальна (в 1,8 рази менша) для корчуватської жовтої.

Рис. 1. ІЧ-спектри зразків керамічної цегли

Присутність карбонат-аніону в кераміці підтверджують наявність смуг при 1380 - 1387 та 1514 - 1559 см-1 (максимум у корчуватської червоної), дані термічного аналізу і рН водних суспензій.

Найбільші розміри агрегатів фіксуються для матеріалів СБК, а мінімальні у новороздільської жовтої та білоцерківської. Максимальну густину (на рівні 2,44-1,48 г/см?) мають матеріали виробників західного регіону і СБК червона.

Наявність суттєвих відмінностей в складі та структурі досліджуваних матеріалів виявляє відчутний вплив на їх фізико-технічні властивості (табл. 2). Відмічено певну кореляцію між вмістом кристалічних і скловидних фаз, об'ємом пор, міцністю, водо- і вологопоглинанням цегли. Найбільша міцність фіксується у матеріалів виробників західного і східного регіону, що зумовлено особливостями їх складу. Останній разом з відкритою пористістю цегли визначає рівень водо- (6,5 - 11,5 мас.%) і вологопоглинання (0,48 - 2,35 мас.%).

Таблиця 2. Фізико-технічні властивості керамічної цегли

Цегла	Колір	Пористість, %	Межа міцності, МПа	Водопоглинання, мас.%	Вологопоглинання, мас.%	Крайовий кут змочування водою, град
		від-кри-та	за-кри-та	на стиск	на згин
івано-франківська	червона	14,5	4,2	17,5	2,6	9,0	0,65	77
новороздільська	червона	20,4	7,8	15,1	2,1	11,5	1,50	79
	жовта	13,5	1,3	18,2	2,8	6,5	1,36	48
білоцерківська	жовта	15,6	6,7	12,0	1,7	8,9	1,09	80
корчуватська	червона	18,6	1,1	13,9	1,7	9,8	1,54	63
	жовта	19,9	0,2	12,3	1,6	11,0	2,35	39
слобожанська	червона	16,6	1,2	17,5	2,3	9,8	0,48	62
	жовта	9,9	0,3	16,9	2,1	9,4	0,85	74

Змочуваність поверхні керамічних поверхонь знаходиться у зворотній залежності від кількості адсорбованої води і мінімальна у білоцерківської цегли (80?) та найбільша у корчуватської жовтої (39?).

Зі вмістом водорозчинних солей у сировині, рівнем водопоглинання і змочуваності цегли зв'язана здатність до висолоутворення. Незалежно від її виду в складі висолів переважають катіони кальцію (4,0 - 10,5 мг-екв/100г) та сульфатні аніони (0,2 - 10,0 мг-екв/100г). Мінімальний вміст солей фіксується в складі цегли СБК (табл.3).

Таблиця 3

Водорозчинні солі в складі цегли і цегляного муру* (мг-екв/100 г)

Цегла	Са2+	Mg2+	Cl?	SO42-
новороздільська	5,98 82,50*	0,91 2,61	0,53 3,35	5,00 725,00
корчуватська	10,42 70,93*	0,20 7,09	1,30 12,31	9,69 1150,00
слобожанська	4,10 42,00*	0,20 1,55	0,30 3,05	0,20 630,00

Використання цементних муруючих розчинів для фіксації цегли супроводжується значним (до 70 разів) збільшенням вмісту висолів. При цьому слід відмітити переважаюче зростання концентрації іонів Са+ та SO42 що пояснюється їх значним вмістом в складі цементу.

Таким чином, рівень взаємодії кераміки з водою визначається співвідношенням між її складом, структурою, ступенем дефектності і енергетичним станом поверхні та відіграє вирішальну роль в процесах формування і дифузії висолів.

Четвертий розділ присвячений розробці технологічних параметрів процесу просочення цегли препаратами Фасад та дослідженню її фізико-технічних властивостей.

З врахуванням фізико-хімічних та експлуатаційних властивостей для просочення були розроблені екологічно безпечні (без органічних розчинників) просочуючі склади: акрилові (водні дисперсії акрилового та стриролометакрилового співполімерів) Фасад 1 та кремнійорганічні Фасад 4 (водний розчин метиліконату калію), Фасад 4SK (водна емульсія складів та силоксанів) і Фасад Creme N (кремоподібний гідрофобізатор у вигляді силоксанової емульсії). Відмінність хімічного складу та агрегатного стану просочуючих розчинів (розчини Фасад 1, Фасад 4 та Фасад 4SK є гомогенними системами, а дисперсія Фасад Creme - гетерогенною) визначають ефективність обробки мінеральних цегляних матеріалів.

В той же час, відмінність у властивостях поверхні, розмірах капілярів та спорідненості до рідкої води (а значить і полярності поверхні, наявності реакційноздатних груп) також відіграє помітну роль у визначенні ефективності просочування.

З метою поліпшення якості цегли і попередження утворення висолів було запропоновано підвищити закриту пористість та гідрофобність поверхні шляхом модифікування кремнійорганічними і акриловими сполуками. Вивчення процесів просочення розробленими препаратами здійснювалось в діапазоні концентрацій до 10 мас.% протягом години - від 5 до 60 секунд.

Встановлено, що хімічна природа модифікаторів значно впливає на їх питому адсорбцію. За величиною цього показника досліджені склади розміщуються таким чином: Фасад 1< Фасад 4 ? Фасад 4SK < Фасад Creme N. Вид цегли суттєво впливає на процеси адсорбції (різниця може досягти 640%).

Мінімальна глибина просочення фіксується для Фасад 1 (0,5 - 1,7 мм), а найбільша - при обробці Фасад 4 корчуватської жовтої (5,5 мм) та білоцерківської (4,0 мм) цегли (табл.4).

Встановлено, що обробка препаратами Фасад супроводжується ущільненням структури та зміною характеру пористості (об'єм відкритої зменшується від 9,9-20,4 до 2,5-10,2% і закритої зростає від 0,2-7,8 до 1,2-23,9%). Водопоглинання при цьому зменшується до рівня 1,5-11,2 мас.%, а капілярна всмоктуюча здатність - до 0,0-1,8 проти 2,3-5,7 кг/м? * год0,5.

Вивчена кінетика водопоглинання і вологовіддачі просоченої цегли в залежності від концентрації препаратів-модифікаторів (рис. 2).

Використання кремнійорганічних препаратів забезпечує стабільне зниження змочуваності поверхні керамічних матеріалів. Зниження краєвих кутів змочування складає 70-110 градусів (табл. 5).

Досліджено залежність механічної міцності просоченої цегли від концентрації препаратів Фасад у сухому і водонасиченому стані. Показано, що максимальні значення коефіцієнтів розм'якшення досягаються при концентраціях відповідно 0,5-7,2 мас.%. Встановлено співвідношення коефіцієнтів розм'якшення на стиск і згин цегли основних виробників, просоченої препаратами Фасад (рис.3).

керамічний цегла хімічний сировина

Таблиця 4. Параметри процесу просочення керамічної цегли

Цегла	Колір	Просочуючий препарат
		Фасад 1	Фасад 4	Фасад 4SK	Фасад Creme N
новороздільська	жовта	0,04/1,5*	0,07/0,5	0,23/3,0	0,54/2,5
	червона	0,04/0,7	0,23/2,5	0,26/2,0	0,96/2,7
івано-франківська	червона	0,04/0,5	0,07/1,5	0,26/3,0	0,56/3,2
білоцерківська	жовта	0,16/0,5	0,30/4,0	0,27/2,0	1,40/2,5
корчуватська	жовта	0,14/1,0	0,45/5,5	0,19/3,0	0,84/2,5
	червона	0,07/1,0	0,11/2,5	0,27/3,0	1,10/2,0
слобожанська	жовта	0,06/1,5	0,08/2,0	0,12/1,0	0,76/3,5
	червона	0,08/1,7	0,16/2,5	0,24/2,5	1,20/3,5

Примітка:* - в чисельнику питома адсорбція просочуючих складів (кг/м?) в знаменнику - глибина проникнення, мм



Концентрація Фасад 4, мас. %

Рис.2. Водопоглинання цегли, просоченої препаратом Фасад 4

Размещено на http://www.allbest.ru/

слобожанська

Размещено на http://www.allbest.ru/

новороздільська

Размещено на http://www.allbest.ru/

корчуватська

Таблиця 5. Фізико-технічні властивості просоченої цегли

Цегла	Колір	Просочуючий препарат
		Фасад 1	Фасад 4	Фасад 4SK	Фасад Creme N
новороздільська	жовта	3,0/5,7 * 68 **	9,6/2,4 81	2,4/5,9 89	1,5/6,3 70
	червона	19,4/4,9 56	23,9/2,4 90	16,1/6,8 103	7,9/11,2 89
івано-франківська	червона	13,1/8,0 81	16,1/2,9 82	6,7/4,9 80	3,9/9,1 102
білоцерківська	жовта	6,2/4,8 31	18,7/2,0 87	13,6/7,7 70	8,1/7,8 95
корчуватська	жовта	3,7/9,0 69	8,8/5,6 80	2,3/9,8 110	0,2/10,8 97
	червона	6,8/6,8 39	14,1/2,9 70	5,2/7,6 73	1,1/9,5 96
слобожанська	жовта	1,2/8,5 56	6,2/3,7 87	1,3/8,3 95	0,2/9,6 72
	червона	7,4/6,2 21	15,2/1,5 73	5,9/7,0 98	1,2/9,7 106

Примітка: * - в чисельнику закрита пористість (%) водопоглинання за 24 год (мас.%); ** - в знаменнику крайовий кут змочування водою (град)

Рис.3. Коефіцієнт розм'якшення цегли, просоченої Фасад 4:

а - на стиск, б - на згин

Размещено на http://www.allbest.ru/

слобожанська

Размещено на http://www.allbest.ru/

новороздільська

Размещено на http://www.allbest.ru/

корчуватська

Проведена оптимізація процесів просочення складами Фасад керамічної цегли виробників різних регіонів з врахуванням міцності на стиск та згин в сухому і водонасиченому станах, відповідних коефіцієнтів розм'якшення (Кр) та водопоглинання (W).

Отримано рівняння регресії, які адекватно описують залежність відношення властивостей від концентрації препарату.

Встановлені залежності мають для цегли СБК наступний вигляд:

Фасад 1

W, мас.% = 8.9894614 - 6.463334 * 10-2 х + 1.566033 * 10-3 х2 - 1.596067 * 10-5 х3;

Kр.ст. = 0.8494614 + 3.499037 * 10-2 х - 8.12524 * 10-4 х2 + 2.641389 * 10-6 х3.

Фасад 4

W, мас.% = 9.027987-9.123888х +3.795895х2 + 6.395429 * 10-2 х3 -2.131008 * 10-3 х4;

Kр.ст. = 0.8588672 +0.383292х -0.1755129х2 +2.484299 * 10-2 х3 -1.131696 * 10-3 х4.

Зокрема, оптимальна концентрація Фасад 1 для просочення цегли СБК складає 7,0 мас.%, корчуватської - 2,8 мас.%. У випадку Фасад 4 це відповідно 2,9 і 2,5 мас.%.

Встановлено, що процес просочення супроводжується відчутними змінами положення та інтенсивності смуг поглинання ІЧ-спектрів, відповідальних за валентні коливання адсорбованої води (3415-3427 см-1), зв'язків Si-O-Si (1075-1087 см-1) та Si-O-Al (775 см-1) (табл. 6). Найбільш значні зміщення у випадку першої групи смуг. Наведені дані дозволяють оцінити кількісно ступінь взаємодії досліджуваних препаратів з різними видами керамічних матеріалів.

Таблиця 6. Положення та інтенсивність смуг поглинання на ІЧ-спектрах просоченої цегли

Цегла	Смуга поглинання, см-1	Просочуючий препарат
		Фасад 1	Фасад 4	Фасад 4SK	Фасад Creme N
новороздільська, червона	3422	+57/30,3*	+19/31,2	-51/40,6	-58/43,8
	1087	+5/62,8	-45/45,2	-45/43,5	-45/37,9
	775	-2/109,8	-39/50,6	-46/45,2	-39/41,9
корчуватська, жовта	3428	-90/15,6	-38/50,6	-26/33,3	-38/45,4
	1075	-45/38,7	-7/62,8	0/54,0	+5/46,0
	775	-39/43,5	-46/112,2	+13/73,1	0/61,0
слобожанська, жовта	3415	+46/18,8	+46/15,6	+13/40,6	-25/25,0
	1075	0/40,3	-7/24,6	+12/35,1	-26/32,8
	775	-25/42,4	-7/37,3	-2/42,4	-8/13,6

Примітка: * - в чисельнику зміщення смуги поглинання (см-1, «+» - зростання, «-» - зменшення), в знаменнику зміна інтенсивності (%) в порівнянні з вихідним матеріалом

У п'ятому розділі представлені результати досліджень експлуатаційних властивостей просоченої керамічної цегли та їх стабільності в процесі застосування.

На прикладі таких видів цегли, як слобожанська, корчуватська, новороздільська принципово показано, що просочення складами Фасад дозволяє повністю попередити утворення висолів в різних експлуатаційних умовах (при капілярному підсмоктуванні, в т.ч. і водного розчину сульфату натрію та сольовому звітриленні). Приріст маси складає 0,03-0,14 проти 15,26-20,98 г у вихідної цегли (рис. 4).



Рис.4. Зміна маси слобожанської цегли жовтої (а) та червоної (b), просоченої препаратом Фасад 4, після випробування на сольове звітрилення

Застосування просочуючих складів Фасад забезпечує зменшення коефіцієнта теплопровідності керамічної цегли у водонасиченому стані на 21-30% та підвищення її морозостійкість (табл. 7). У випадку силікатної цегли зменшення теплопровідності в аналогічних умовах може досягати до 44 % при зниженні паропроникності лише на 6%.

Таблиця 7. Експлуатаційні властивості просоченої керамічної цегли

Показник	новороздільська	слобожанська
	без просочень	Фасад 1	Фасад 4	без просочень	Фасад 1	Фасад 4
Коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м*k)	0,534 * 0,761	0,563 0,599	0,561 0,571	0,567 0,792	0,523 0,564	0,533 0,541
Морозостійкість, цикли	50 50	>50 >50	>50 >50	50 50	>50 >50	>50 >50

Примітка: * - в чисельнику дані для сухої цегли, в знаменнику - насиченої водою

З метою оцінки рівня стабільності фізико-хімічних властивостей просоченої кераміки в процесі експлуатації була вибрана методика прискореного теплового старіння. Базується вона на рівнянні Арреніуса стосовно збільшення швидкості процесів взаємодії при підвищених температурах і дозволяє врахувати особливості складу і структури модифікованих керамічних матеріалів.

Порівняна оцінка змочуваності поверхні просоченої кераміки в процесі прискореного старіння (відповідає 10 рокам експлуатації) свідчить, що найбільша її гідрофобність зберігається при використанні кремнійорганічних складів Фасад 4 і Фасад 4SK (значення крайових кутів змочування 68-84 градуси). Стабільність збереження водовідштовхуючих властивостей поверхні просоченої цегли зменшується в ряду: корчуватська жовта > СБК жовта > новороздільська червона.

Збільшення площі контакту за рахунок задіяння більш глибоких ділянок зістареної просоченої цегли з водою оцінене за водопоглинанням та відповідно стабільністю захисної дії препаратів дозволяє розмістити їх так: Фасад 4 (4,4-6,9 мас.%) > Фасад 4SK (7,7-10,1 мас.%) > Фасад Creme N (9,6-11,6 мас.%). Стосовно цегли ряд має наступний вид: корчуватська жовта > СБК жовта > новороздільська червона.

Встановлено, що зростання водопоглинання в процесі теплового старіння просоченої цегли пов'язана з перебудовою її порової структури. Максимальне збільшення загальної пористості (до 1 %) відмічено при використанні препарату Фасад Creme N. За цим показником досліджувані види цегли розміщуються таким чином: корчуватська жовта > новороздільська червона > СБК жовта.

Рівень експлуатаційних властивостей просоченої цегли при цільовому застосуванні в значній мірі визначається ступенем деструкції зв'язків між матрицею та модифікатором. На прикладі корчуватської цегли, що характеризується найбільшою зміною цих властивостей, показано, що в процесі старіння відчутні зміни в міжмолекулярній взаємодії відбуваються при участі адсорбованої води. Зміщення в бік більших частот ІЧ-смуг поглинання при використанні Фасад 1 складає до 50 см-1 та збільшення їх інтенсивності в 2 рази (табл. 8).

Таблиця 8. Зміна параметрів смуг поглинання на ІЧ-спектрах цегли корчуватської жовтої в процесі старіння

Препарат	Смуги поглинання, см-1 / інтенсивність, у.о.
	Вихідний матеріал	Після 10 років прискореного старіння
Без просочення	3424 / 11	1060 / 53	760 / 23	3449 / 11	1064 / 51	755 / 22
Фасад 1	3480 / 3	1116 / 23	786 / 11	3530 / 7	1110 / 21	750 / 11
Фасад 4	3480 / 3	1096 / 18	770 / 13	3485 / 5	1064 /18	770 / 12
Фасад 4SK	3419 / 9	1085 / 32	765 / 16	3459 / 7	1080 / 28	760 / 15
Фасад creme N	3389 / 7	1070 / 38	776 / 19	3419 / 11	1064 / 35	776 / 18

Кремнійорганічні склади більш стійкі до дії деструктивних факторів. Стабільніші і зв'язки за участю Si - O - Si та Si - O - Al.

У додатках представлено: технічні умови на просочуючі склади Фасад, технологічний регламент на застосування просочуючих складів Фасад, акти впровадження просочуючих складів Фасад та довідки про економічну ефективність їх застосування.

висновки

В дисертаційній роботі вирішено важливу науково-технічну проблему попередження висолоутворення на поверхні та покращення експлуатаційних властивостей керамічної цегли шляхом просочення акриловими і кремнійорганічними препаратами. Досліджено та науково обґрунтовано фізико-хімічні закономірності і особливості перебігу процесів просочення керамічних матриць різного хімічного складу і структури.

1. З використанням сучасних незалежних методів фізико-хімічного аналізу дано порівняльну оцінку вмісту структуроутворюючих кристалічних (кварц, польові шпати, гематит) та аморфних (скло-, кремнезем- та кальцієвмісних фаз) в складі керамічної цегли основних вітчизняних виробників різних регіонів України. По змочуванню оцінено енергетичний стан їх поверхні. Показано, що порова структура характеризується загальним об'ємом в межах 10,2-28,2 % (відкрита - 9,9-20,4 %, показник середнього розміру відкритих капілярних пор - 2,3-25,2 нм, водопоглинання - 6,5-11,5 мас.%). Досліджено залежність фізико-механічних властивостей цегли від ступеню розвитку порової структури останньої.

2. Встановлено, що вирішальним факторами в процесах взаємодії керамічної цегли з водою, водними розчинами та водяною парою є склад, порова структура та енергетичний стан її поверхні. Запропонована схема послідовності протікання процесів взаємодії води з керамічною матрицею. Проаналізовано якісний і кількісний склад висолів на поверхні цегли різних виробників. Встановлено наявність зв'язку між рівнями розвитку порової структури цегли та висолоутворенням на її поверхні. Значний вплив в процесах висолоутворення має хімічний склад мінерального в'яжучого, що використовується для мурування, особливо в частині вмісту катіонів кальцію та сульфат-аніонів. Надана кількісна оцінка відміченого впливу (672 - 1220 проти 4,3 - 20,1 мг-екв/100 г у вихідної цегли).

3. Сформульовані вимоги до розробки ефективних методів попередження утворення та розвитку висолів в частині вибору сировини для виробництва цегли, попередження процесів дифузії в поровому просторі її структури та зниження вмісту іонів Са2+ та SО42 в складі мінеральних в'яжучих. Розроблена і запропонована система екологічно безпечних просочуючих препаратів «Фасад» на акриловій та кремнійорганічній основах. Інтенсивність і повнота протікання процесів просочення вказаними препаратами визначаються їх фізико-хімічними властивостями, складом і структурою керамічної матриці та умовами проведення технологічного процесу. Визначені їх кількісні параметри - питомі витрати препаратів 0,04-1,40 кг/м?, глибина проникнення 0,5-5,5 мм, час обробки, тощо. Дана кількісна та якісна оцінка процесів взаємодії препаратів «Фасад» з керамічними матрицями по зміщенню та зміні інтенсивності смуг в ІЧ-спектрах просоченої кераміки, відповідальних за коливання зв'язків Si-O-Si, Si-O-Al та адсорбованої води.

4. Встановлено, що порова структура керамічної цегли в результаті просочення препаратами Фасад характеризується зменшенням відкритої пористості (від 9,9-20,4 до 2,5-10,2 %) і збільшенням закритої (від 0,2-7,8 до 1,2-23,9 %). Досліджено процеси взаємодії просоченої цегли з водою в різному агрегатному стані і показана залежність її водопоглинання та водовіддачі від концентрації препаратів «Фасад». Проведена оптимізація процесів просочення. Оцінено вплив адсорбції води (за рівнем коефіцієнта розм'якшення) на фізико-механічні властивості просоченої цегли.

5. Дана кількісна оцінка схильності до солевиділення просоченої цегли в різних експлуатаційних умовах (після капілярного підсмоктування і в т.ч. водного розчину сульфату натрію, сольового звітрилення). Принципово показано, що просочення препаратами «Фасад» дозволяє повністю попередити схильність до висолоутворення, забезпечити її стабільну теплопровідність та морозостійкість.

6. Запропонована методика ефективної і достовірної оцінки рівня стабільності просоченої кераміки в процесі експлуатації. Із врахуванням особливостей структури і складу останньої запропоновано метод прискореного старіння, що базується на рівнянні Арреніуса. Порівняльна оцінка зміни змочуваності поверхні просоченої керамічної цегли в процесі прискореного старіння показала, що її гідрофільність змінюється в ряду: Фасад 4SK ? Фасад 4 > Фасад creme N > Фасад 1. За ступенем зменшення кількості адсорбованої води при старінні досліджені препарати розміщуються т...