Керамические матричные композиции
В строительных материалах каркасной структуры роль матрицы может выполнять керамика В этом случае пропитывающая матрица приобретает прочность за счет спекания материала при высокотемпературной обработке.
В качестве клея, склеивающего зерна заполнителя, в каркасных керамических материалах может быть использовано натриевое жидкое стекло, обладающее высокой адгезивной способностью к различным материалам органической и неорганической природы. Натриевое жидкое стекло представляет собой коллоидный водный раствор силиката натрия, имеющий плотность 1,3-1,5 при содержании воды 50-70%. Термические превращения гидросиликатов натрия имеют следующие общие черты. Удаление воды происходит в широком диапазоне температур вплоть до 300-350°С. Процесс этот, как правило, многоступенчатый с промежуточными полуаморфными фазами. Удаление конституционной воды сопровождается анионной поликонденсацией, называемой обычно полимеризацией. Так, двузамещенные ортосшпусаты при нагревании в конечном итоге превращаются в Na2SiO3 при температуре около 120°С, однозамещенные ортосиликаты натрия полимеризуются до Na2Si2O3 в диапазоне температур 100-300°С. Трехзамещенные ортосиликаты в начале распадаются на две фазы Na2SiO3 и Na2O, а выше 400°С образуется бисиликат натрия 2Na2SiO3 + Na2O —> Na6Si2O7. Для отверждения жидкого стекла в его состав вводят отвердители, кремнефтористый натрий, вещества, содержащие двухкальциевый силикат (например, нефелиновый шлам - побочный продукт переработки щелочных алюмосиликатов на глинозем) и т.д. Твердение жидкостекольной связки может происходить и без отверди гелей при ее сушке.
При постановке экспериментов, направленных на получение керамических каркасных материалов для изготовления каркасов, использовали керамзитовый гравий различных фракций, бой облицовочного кирпича, изготовленного способом полусухого прессования, и бой плотноспеченного керамического материала (с водопоглощением 3-4%), полученного в лабораторных условиях при обжиге в вакууме кирпичной глины.
При сушке каркаса, зерна которого склеены жидким стеклом без отвердителя, при температуре около 100°С связка приобретает высокую прочность, превышающую прочность зерен из боя кирпича, но она не обладает водостойкостью. При дальнейшем быстром подъеме температуры до 140°С и выше связка из жидкого стекла интенсивно вспучивается при дегидратации продуктов гвердения жидкого стекла и удалении воды в виде пара, имеет вспененную структуру с крупным размером пор.
Склонность к вспучиванию уменьшается при добавлении в жидкое стекло трепела в количестве до 8-9% (при введении трепела в количестве более 9% клей приобретает консистенцию липкого теста и плохо перемешивается с зернами заполнителя). При термообработке до 370°С клей из жидкого стекла с добавкой трепела имеет вспученную мелкопористую структуру; его прочность с увеличением содержания трепела возрастает.
При температуре выше 600°С силикатная связка обычно начинает взаимодействовать с добавками наполнителей с образованием соединений переменного состава, трудно поддающихся идентификации. Нами было выявлено, что начиная с температуры 700 С жидкостекольная связка начинает уплотняться с уменьшением пористости.
Собственная огнеупорность жидкого стекла составляет около 800 С, однако деформативность склеенного каркаса из за размягчения клеевой связки определяется многими факторами, такими, например, как вид, форма и гранулометрический состав используемого заполнителя, от которых зависит площадь контактов зерен каркаса толщина слоя клеевой связки и его модифицирование, поверхностная плотность термообрабатываемого изделия (статическая нагрузка на основание).
При температурах обжига 950-1000 С жидкостекольная связка каркасов из плотноспеченной керамики приобретает плотную прозрачную структуру с бтестящей поверхностью, имеет большую прочность при испытании на прочность разрушение идет по объему зерна, а не по клеевой связке. При выдерживании в воде в течение нескольких месяцев прочность связки ощутимо не уменьшается.
В отличие от плотной керамики зерна керамзитового гравия и боя кирпича склонны впитывать жидкое стекло при температурах обжига 950 С и выше, в результате этого прочность клеевой связки уменьшается.
При прочих равных условиях зерна каркаса в виде щебня прочнее связываются на контактах, чем зерна, имеющие окатанную форму из-за разницы в площади контактов.
Для пропитки каркасов использовали глинистые шликеры и составы на основе стеклобоя. Рассматривая взаимодеиствие глинистого компонента с силикатной связкой при высоких температурах (выше 600 С), необходимо отметить, что в системе Аl2O3 - Na2O - SiO2 продукты этого взаимодействия не являются равновесными фазами и представлены в основном различными аморфными фазами переменного состава.
При использовании в каркасах немодифицированного жидкостекольного клея, обладающего незначительной водостойкостью при термообработке до 950 С пропитывающая матрица должна иметь малую влажность, и процесс сушки должен происходить достаточно быстро для предотвращения размокания связки. В этом отношении наиболее предпочтительны матричные составы, обладающие повышенной влагоотдачей, например на основе тонкоизмельченных нетастичных порошков в отличие от составов с повышенным содержанием глинистого компонента. С другой стороны, глинистая составляющая придает матрице повышенную прочность и вязкость соответственно в высушенном состоянии и при обжиге. Отрицательным моментом здесь может явиться повышенная усадка глинистых составов при обжиге.
У каркасов, пропитанных матрицей на небольшую глубину только с лицевой поверхности, основной объем каркаса не будет подвергаться воздействию влаги. Внешний вид подобного изделия с каркасом из керамзитового гравия на жидкостекольной связке и керамическим покрытием на основе кирпичной глины представлен на рис 5,26. Такая технология эффективна при изготовлении плиток, обладающих повышенной адгезией к раствору соединительной прослойки за счет механического зацепления крупнопористой стороны. Получение таких изделий возможно и на плотных заполнителях. На рис. 5.27 показан образец каркаса из боя кирпича с лицевым покрытием, в котором в качестве свяжи и лицевого покрытия использован керамический материал, полученный при спекании состава на основе глинистого компонента.
Определяющим условием при выборе матричных составов является то, что они должны иметь минимальную усадку при сушке и обжиге. В данной работе компоненты составов подбирали таким образом, чтобы максимальная температура обжига не превышала 900°С. Исходя из этого были опробованы матричные составы двух видов: на основе тонкоизмельченных отходов тарного стекла с добавкой газообразоватсля - состав № 1, и из смеси того же стекла, но более грубого помола с глинои и наполнителем - состав № 2. В составе № 1 в качестве газообразователя использовали доломит. Предполагалось за счет вспучивания матричного состава при обжиге компенсировать его усадку, вызванную спеканием материала. В составе № 2 уменьшение усадки матрицы при спекании обеспечивалось за счет использования стекла более грубого помола в смеси с тонко дисперсной добавкой - трепелом. Глинистый компонент вводился в оба состава в качестве технологической связки для повышения прочности матрицы в период сушки и в высушенном состоянии. Количество воды, добавляемой в смссь сухих компонентов, принималось из расчета обеспечения достаточной подвижности массы при заполнении ею пустот между зернами каркаса.
Образцы изготавливались в разборной металлической цилиндрической форме без дна диаметром 50 и высотой 50 мм. Для склеивания зерен каркаса перед пропиткой его матричным составом применялась жидкостекольная композиция, составленная из смеси натриевого жидкого стекла и трепела в количестве 8% от массы жидкого стекла для уменьшения вспучивания клеевой связки при термообработке и повышения ее прочности. В качестве материала для изготовления каркасов использовали керамзитовый гравий двух фракций: для пропитки матричным составом № 1 - фракция 10-15 мм, для пропитки матричным составом № 2 - фракция 5—10 мм.
Для склеивания заполнителя каркаса принималось такое количество связующего которое обеспечивало качественное обволакивание им зерен заполнителя. Это количество устанавливалось путем проведения предварительных опытов. После перемешивания связующею с заполнителем производилась его укладка в форму, установленную на ровное металлическое основание. Перед укладкой основание и внутренняя поверхность формы выкладывались бумагой для предотвращения прилипания клеевой связки к основанию и поверхности формы. Сушка производилась при температуре около 100 С до приобретения связкой необходимой прочности. После этого форма с каркасом устанавливалась на гипсовую доску, находящуюся на площадке вибратора, и при включенном вибраторе сверху на каркас выливался предварительно приготовленный матричный состав. Учитывая хорошую влагоотдачу материала матрицы, сушка залитого матрицей каркаса проводилась по ускоренному режиму при температурах, не превышающих 100°C. Причем после приобретения матрицей в процессе сушки достаточной прочности пропитанный каркас извлекался из формы и дальнейшая досушка проводилась без формы. Было выявлено, что клеевая связка пропитанных каркасов, извлеченных из формы после 2,5 часа сушки, характеризовалась остаточной прочностью обеспечивающей связность всего материала в целом, несмотря на присутствие остаточной влаги в матрице. В процессе досушки извлеченных из формы образцов на открытых боковых и верхней поверхностях отмечено формирование тонкого слоя новообразований сероватого цвета, который после полного высушивания приобретает повышенную прочность по сравнению с высушенным матричным материалом, расположеннным во внутреннем объеме (своего рода упрочняющая оболочка). На нижней поверхности образцов, соприкасающихся с гипсовои доской, такой поверхностный слой не образуется.
После высушивания образцов до удаления остаточной влаги проводили их обжиг. Максимальная температура обжига составляла 850 и 900 С соответственно для образцов с матричным составом № I и № 2.Вид полученного образца с матричным составом № 1 показан на рис. 5.28.
Материал характеризуется высокой прочностью, имеет среднюю плотность 790 кг/м3, водопоглощение после 30 мин. кипячения в воде - 26,0-26,5%. Отмечается отсутствие усадки материала. В нижней части образец несколько расширен из-за некоторого перемещения материала матрицы к основанию вследствие снижения вязкости матричного состава при максимальной температуре обжига. Образец, полученный с применением матричного состава № 2, показан на рис. 5.29 (вид снизу). На рисунке видны выступающие из матрицы зерна каркаса вследствие частичной пропитки каркаса матрицей у основания образца. Полученные результаты показали, что матрица спеклась до высокой степени твердости с очень прочной адгезией матрицы к зернам каркаса. Отмечается некоторое выступание зерен каркаса над поверхностью спеченной матрицы вследствие ее усадки. В пределах точности измерений усадка каркаса не зафиксирована. Материал имеет среднюю плотность 1100 кг/м , водопоглощение в пределах 14-16%.
Таким образом в результате выполненных исследований выявлены основные технологические режимы и оптимизированы составы высоконаполненных керамических каркасных материалов.
