Кирпич керамический пористость водопоглощение

Кирпич керамический пористость водопоглощение

Библиографическая ссылка на статью:
Тарасов Р.В., Макарова Л.В., Григорьева А.С. Оценка качественных показателей пористости и водопоглощения жаростойких композиций на основе молотых шлаков и глин // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 1. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/01/45837 (дата обращения: 14.09.2021).

Многие производственные процессы протекают в условиях повышенных температур и для защиты конструкций и оборудования от такого негативного воздействия используются жаростойкие материалы. В качестве жаростойких материалов могут использоваться наполненные глиношлаковые композиты, обладающие высокими прочностными и термическими свойствами [1…9].

Известно, что многие свойства композиционных материалов (прочность, плотность, термостойкость и др.) обусловлены пористостью, косвенной, но информационной характеристикой которой является водопоглощение. Для исследования косвенных показателей пористости и водопоглощения глиношлаковых композитов была проведена серия экспериментов по оценке влияния ряда технологических факторов на указанные параметры.

На водопоглощение были исследованы образцы различных составов на основе глиношлакового вяжущего, отформованные методами прессования и виброуплотнения. В качестве основного компонента вяжущего использовался молотый гранулированный Липецкий шлак (S_уд=3000-3500 см 2 /г) [1, 2, 10, 11]. Вторым составляющим вяжущего была тонкомолотая глина Иссинского месторождения (S_уд=4800 см 2 /г) [1, 2, 12, 13]. Соотношение компонентов вяжущего различно. Также изучались составы на чистом шлаковом вяжущем (без глины).

Часть исследуемых составов содержала заполнители, в качестве которых использовались: шамотный песок (М_кр=1,8), бой шамотного кирпича различного фракционного состава, тонкомолотый шамот (S_уд=4000 см 2 /г), технический глинозем (S_уд=2470 см 2 /г) [1, 2, 14]. Активизатором твердения служила щелочь NaOH, вводимая в количестве 2% от массы вяжущего. Формовочная влажность прессованных составов (Р_пр=20 МПа) составляла 10-12%, виброуплотненных 28-32%. Образцы твердели в нормально-влажностных условиях в течение 28 суток. Составы, водопоглощение и другие характеристики исследованных составов приведены в табл. 1-3.

Показатели пористости и однородности размеров капилляров определялись по кинетике дискретного водопоглощения образцов. Метод позволяет определить как интегральные (кажущуюся пористость), так и дифференциальные (показатели среднего размера пор и однородность размеров пор) параметры поровой структуры материалов.

При этом полный объем пор, объем открытых капиллярных пор определялись по полному объемному водопоглощению образцов, а объем условно закрытых пор по дополнительному водопоглощение образцов, выдержанных под форвакуумом в течение 2 часов при разряжении Р=755 мм рт. ст.

Особо сильное воздействие на водопоглощение и пористость оказывает вид заполнителя и степень заполнения им композиционного материала. Были проведены исследования, целью которых было выявление оптимального вида заполнителя и степени наполнения им композита с точки зрения минимизации водопоглощения. В качестве вяжущего использовалось глиношлаковое вяжущее с соотношением компонентов глина:шлак=40:60 Степень наполнения заполнителем составляла 20, 40, 60, 80 и 100% от массы вяжущего. Образцы были отформованы методом прессования при удельном давлении 20 МПа.

Таблица 1. Составы, водопоглощение и пористость образцов

соотношение компонентов в масс. %

в % от массы композиционного вяжущего

Плотность в высуш. состоянии

Прочность на сжатие в сухом состоянии R_сж, МПа

Водопоглощение по массе W_m, %

Объемное водопоглощение W_о,%

Объем условно закр.ытых пор П_усз, %

Водопоглощение прессованного ненаполненного глиношлакового композита находится в пределах от 6,0 до 12,0% в зависимости от содержания шлака в вяжущем. С увеличением содержания доли шлака водопоглощение композита снижается.

Результаты сравнительного эксперимента позволяют сделать вывод о том, что введение заполнителя повышает показатели водопоглощения и пористости наполненных ГШ композитов по сравнению с ненаполненными вне зависимости от вида наполнителя (рис. 1, 2.). Массовое водопоглощение всех наполненных составов находится в пределах 3,6-14%. Минимальными показателями водопоглощения обладают композиты, наполненные тонкомолотым шамотом (W_м=6,95-3,685%), боем шамотного кирпича фр 0,6-1,25 мм (W_м=7,52-8,26%) и боем шамотного кирпича фр. 1,25-2,5 мм (W_м=8,0-6,94%). Введение тонкомолотого шамота в количестве 80-100% от массы вяжущего ведет к резкому снижению водопоглощения (до W_м=3,685%), что значительно ниже водопоглщения ненаполненного ГШ композита (W_м=6,01%). Использование зернистого заполнителя высокой прочности (бой шамотного кирпича и шамотный песок) ведет к росту водопоглощения, что, вероятно, обусловлено образованием некоторого количества пор защемления за счет высокой прочности заполнителя и степени наполнения им, так как он не дает возможности получения достаточно плотной упаковки частиц в изделии вследствие недостаточного количества связки (вяжущего) и невозможности плотного контакта частиц заполнителя из-за их высокой прочности (в результате прессования не происходит частичного разрушения частиц при сдавливании).

Рисунок 1 – Массовое водопоглощение жаростойких глиношлакошамотных композитов в зависимости от степени наполнения и вида заполнителя: 1-тонкомолотый шамот (S_уд=4000 см 2 /г); 2-бой шамотного кирпича фр.0,3-0,6; 3-бой шамотного кирпича фр.0,6-1,25; 4-бой шамотного кирпича фр.1,25-2,5; 5-шамотный песок (М_кр=1,8)

Среди исследуемых заполнителей минимальный эффект с точки зрения снижения водопоглощения проявляют шамотный песок и бой шамотного кирпича фр. 0,3-0,6 мм.

Влияние количества заполнителя на водопоглощение наполненных глиношлаковых материалов различно в зависимости от его вида. Во всех составах, кроме наполненных тонкомолотым шамотом и боем шамотного кирпича фр. 0,6-1,25 мм, увеличение количества заполнителя ведет к постепенному снижению водопоглощения с увеличением степени наполнения жаростойким заполнителем. При использовании тонкомолотого шамота водопоглощение сначала растет (пик при содержании наполнителя 60%), а затем резко снижается (рис. 1). Бой шамотного кирпича фр. 0,6-1,25 мм позволяет достичь минимальных показателей водопоглощения при его содержании 50-70%.

Характер кривых изменения общей пористости от степени наполнения вяжущим и его вида схож с кинетикой изменения водопоглощения (рис. 2.). Показатели общей пористости колеблются в пределах от 11 до 26%, что вполне приемлемо для обеспечения высоких эксплуатационных свойств жаростойких изделий.

Закрытая пористость составов колеблется в пределах от 0,03% до 3,5% в зависимости от вида и количества заполнителя. Показатели закрытой пористости возрастают с увеличением содержания глины в вяжущем и увеличении количества заполнителя.

Рисунок 2 – Кинетика изменения открытой пористости наполненных жаростойких глиношлакошамотных композиций в зависимости от степени наполнения и вида заполнителя: 1-тонкомолотый шамот (S_уд=4000 см 2 /г); 2-бой шамотного кирпича фр.0,3-0,6; 3-бой шамотного кирпича фр.0,6-1,25; 4-бой шамотного кирпича фр.1,25-2,5; 5-шамотный песок (М_кр=1,8).

Характер кривых изменения открытой пористости от степени наполнения вяжущим и его вида схож с кинетикой изменения водопоглощения (рис. 2). Показатели открытой пористости наполненных образцов колеблются в пределах 7,74-19,63%, что вполне приемлемо для обеспечения высоких эксплуатационных свойств жаростойких изделий.

Закрытая пористость наполненных составов находится в пределах 2,35-6,05% в зависимости от вида и количества заполнителя. Показатели закрытой пористости возрастают с увеличением содержания глины в вяжущем и увеличении количества заполнителя. Минимальной закрытой пористостью обладают составы с тонкомолотым шамотом. С увеличением крупности заполнителя значения открытой пористости снижаются.

Таблица 2. Составы композиций, исследуемых на кинетику массового водопоглощения

Вид вяжущего в процентном соотношении компонентов

Определение пористости материалов.

Цель работы: определение пористости керамического кирпича. Оценка правильности полученных результатов.

I. Теоретическая часть.

Пористость – это доля заполнения объема материала порами. Общая пористость (или просто пористость) (П_о):

,

где V_пор – объем пор в материале, см 3 (м 3 );

V – объем материала в естественном состоянии, см 3 (м 3 );

V_а – объем материала в абсолютно плотном состоянии (без пор), см 3 (м 3 );

— средняя плотность материала, г/см 3 (кг/м 3 );

— истинная плотность материала, г/см 3 (кг/м 3 ).

Пористость можно выразить и в процентах:

От величины пористости и ее характера зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, теплопроводность, долговечность и др.

Пористость в материале характеризуется как открытыми, так и закрытыми порами.

Открытые поры увеличивают водопоглощение и водопроницаемость материала и ухудшают его морозостойкость.

Увеличение закрытой пористости за счет открытой увеличивает долговечность материала, снижает его теплопроводность.

Общая пористость складывается из открытой и закрытой. Открытая пористость численно равна объемному водопоглощению материала. Определив водопоглощение по объему и пористость материала, можно легко вычислить закрытую пористость:

, %

Коэффициент насыщения пор водой – отношение объемного водопоглощения к пористости:

Этот коэффициент изменяется от 0 (все поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты).

Чем больше К_н, тем выше доля открытых пор.

II. Ход работы.

— величину средней ( ) и истинной плотности взять из лабораторной работы №1 и №3;

— подсчитать значение общей пористости керамического кирпича (П_о);

— пользуясь данными, полученными в работе №6, определить открытую и закрытую пористость и коэффициент насыщения пор водой.

Данные занести в лабораторный журнал.

III. Лабораторный журнал:

№ п/п	Плотность кирпича	Пористость, %	Коэффициент насыщения пор водой
истин- ная , г/см 3	средняя г/см 3	Общая	Открытая	Закрытая

За окончательный результат принять среднее значение пористости из трех определений.

IV. Заключение: Полученные результаты пористости (не)входят в стандартные значения.

Лабораторная работа №8.

Определение влажности материалов.

I. Теоретическая часть.

Гигроскопичность это способность материала поглощать и конденсировать влагу из окружающего воздуха. Оценивается влажностью.

Влажность – это содержание влаги в материале в данный момент времени.

или ,

где m_вл – масса материала в естественном состоянии, г;

m – масса сухого материала, г.

II. Материалы и оборудование:

— технические весы с разновесами.

III. Методика выполнения работы:

— взвесить пустой бюкс – m₁, г;

— взвесить бюкс с влажным песком – m₂, г;

— поместить бюкс с песком в радиационную сушилку на 10 мин;

— охладить бюкс с песком в эксикаторе и взвесить – m₃, г;

— сушку производить до постоянной массы;

— рассчитать влажность песка.

За конечный результат принять среднее арифметическое из 3-х параллельных определений при условии, что относительное отклонение отдельного результата от среднего значения не превышает 5%.

IV. Лабораторный журнал:

№ п/п	Масса бюкса, г	Масса бюкса с сухим песком, г	Влажность, %
пустого	с влаж-ным песком
m1	m2

V. Заключение: Влажность кварцевого песка равна — %.

Определение пористости материалов по кинетике их водопоглащения.

Водопоглащение – способность материала впитывать и удерживать воду. Характеризуется оно количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погруженным полностью в воду, и выражается в процентах от массы. Водопоглащение (% по массе)

или водопоглощение (кг/м 3 по объему)

где m₂ – масса материала в насыщенном водой состоянии, кг; m₁ – масса материала в сухом состоянии, кг; V – объем материала в естественном состоянии, м 3 .

Водопоглощение всегда меньше истинной пористости, так как часть пор оказывается закрытой, не сообщающейся с окружающей средой и недоступной для воды. Объемное водопоглощение всегда меньше 100%, а водопоглощение по массе у очень пористых материалов может быть более 100%.

Водопоглощение строительных материалов изменяется главным образом в зависимости от объема пор, их вида и размеров. Влияют на величину водопоглощения и природа вещества, степень гидрофильности его.

В результате насыщения водой свойства материалов значительно изменяются: увеличивается плотность и теплопроводность и др.

Универсальным методом определения параметров поровой структуры цементного камня, раствора и бетона является метод, использующий кинетику поглощения капиллярно-пористыми материалами смачивающей их жидкости. Метод, основанный на явлении капиллярности, позволяет определить как интегральные (кажущуюся пористость), так и дифференциальные (показатели среднего размера пор и однородности размеров пор) параметры поровой структуры материалов.

Наиболее удобной для насыщения цементных материалов смачивающей жидкостью является вода. Это объясняется тем, что кинетика водопоглощения бетона и распределение в нем влаги находятся в тесной связи с характером его пористости, особенно дифференциальной. В свою очередь такие важнейшие свойства бетона, как прочность, водо- и газопроницаемость, морозостойкость, коррозионная стойкость, теплопроводность, прямо зависят от характера процесса водопоглощения бетона и распределения в нем влаги. Применение метода водопоглощения для исследований параметров поровой структуры бетона, поэтому представляется наиболее перспективным, так как в этом случае характеристики поровой структуры бетона определяются не отвлеченно, как в большинстве других методов, а по отношению к воде, т. е. В условиях, близких к тем, в которых работает бетон в период его эксплуатации.

Порядок проведения работы.

Перед испытанием образцы должны иметь определенную равновесную влажность, так как от этого зависят результаты испытаний. Поэтому в случаях, когда не предъявляется каких-либо специальных требований, рекомендуется испытывать образцы при нулевой начальной влажности, т. е. высушенные до постоянной массы. Учитывая, что при любом способе сушки все же структура материала изменяется, необходимо при проведении любых сравнительных определений принимать одинаковые режимы сушки, чтобы максимально уменьшить вариацию параметров пористости. Рекомендуемая температура сушки равна 105-110° С, при этой температуре из материала удаляется вся механически связанная с ним влага. Средняя продолжительность сушки образцов бетона размером 7´7´7 см до постоянной массы (с точностью до 1 г) при этой температуре составляет от 25 до 50 ч.

Наиболее предпочтительной для насыщения жидкостью, как указывалось выше, является вода. Для испытаний пригодна вода, применяемая для приготовления бетона. Наличие любых примесей в воде нежелательно, так как они могут изменить такие характеристики жидкости, как ее поверхностное натяжение, краевой угол смачивания исследуемого материала, вязкость и плотность.

Применение воды может оказаться невозможным или нежелательным в трех случаях:

· при испытании образцов крупнопористых материалов, очень быстро насыщаемых при погружении в воду (например, крупнопористый бетон, кирпич или специальная пористая керамика);

· при испытании образцов материала, имеющих столь малые размеры, что применяемая аппаратура не дает возможности зафиксировать кинетику изменения массы при водопоглощении;

· в условиях, когда вода вступает в активную связь с материалом образца, растворяя его или значительно изменяя его структуру.

Во всех перечисленных и некоторых других случаях необходимо использовать для насыщения образцов другие смачивающие материалы-жидкости. В первую очередь для бетонов различных видов можно рекомендовать керосин, спирт, глицерин, минеральное масло. Эти жидкости значительно отличаются от воды по своим свойствам и дают возможность получить сравнительные характеристики параметров пористости практически для любых пористых строительных материалов.

По 2 образца каждого вида материала (кубы 7*7*7 см) высушивают до постоянной массы при температуре 105-110 C. По одному из них помещают в камеру с относительной влажностью не менее 95% при температуре 20-22 ºC и по одному погружают в воду. Для первой серии определяют массу образцов, поглотивших влагу из воздуха (Mp), а для второй — массу влажных образцов через 0.25; 1 и 24 часа. Последнее взвешивание проводят на воздухе и в воде.

По результатам взвешиваний рассчитывают следующие характеристики:

— равновесное поглощение Wp=100*(Mp-M₀)/M₀ (4)

— коэффициент микропористости Км=Wp/Wв (5)

Показатели среднего размера пор ( 2) и однородности пор по размерам ( ) рассчитывают с помощью номограмм (рис.1-3), для чего сначала вычисляют вспомогательные величины:

По номограммам (рис.1), зная W_1′, определяют 1, а затем по 1 и W_0.25 — величину. По показателям 1 и устанавливают 2 (рис.2 или 3).

Лабораторная работа № 3 КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Лабораторная работа № 3

Строительная керамика – искусственный камнеподобный материал, получаемый из рыхлого глинистого сырья путем его измельчения, увлажнения с последующими операциями формования, сушки и обжига при высоких температурах.

Глинистое сырье – смесь глинообразующих минералов (водные алюмосиликаты) и примесей. Важнейшими минералами являются каолинит (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O), гидрослюда (K₂O·MgO·4Al₂O₃·7SiO₂·2H₂O) монтмориллонит (Al₂O₃·4SiO₂·nH₂O) и др. Примесями считаются кварцевые, карбонатные, железистые, гипсовые, органические включения.

Разнообразие свойств керамических материалов и изделий зависит от вида сырья, от его химико-минералогического и зернового составов, состава сырьевой шихты, особенностей технологии и условий обжига.

В процессе сушки отформованных изделий из глиняного теста испаряется вода, частицы глины сближаются, что сопровождается воздушной усадкой – уменьшением линейных размеров и объема изделий.

Для регулирования отдельных технологических параметров глинистого сырья в керамическую шихту вводят различные добавки: отощители (снижают пластичность и уменьшают воздушную усадку), пластификаторы (повышают пластичность и связность массы), плавни (снижают температуру спекания); выгорающие добавки (повышают пористость изделий при обжиге) и др.

При обжиге происходят изменения в глинообразующих минералах, примесях и добавках. Рост плотности и прочности изделий при обжиге объясняется прослойками образующегося расплава, который за счет энергии поверхностного натяжения сближает и связывает твердые частицы. Уплотнение и упрочнение керамических изделий при обжиге называется спеканием, сопровождаемое огневой усадкой (до 6 %).

Обжиг изделий, которые должны обладать прочностью и пористостью, ведут в условиях, когда в изделиях образуется минимальное количество расплава, что обеспечивает лишь цементацию всей системы и достаточную прочность керамического черепка (R_сж > 5 МПа).

Обжиг изделий, которые в условиях эксплуатации должны быть плотными, прочными, износостойкими и водонепроницаемыми (плитки для полов), ведется при более высоких температурах (до 1250 °С) до полного спекания. Это позволяет получить плотный спекшийся черепок с малыми значениями пористости и водопоглощения.

Изучить основные свойства изделий строительной керамики; исследовать их зависимость от степени спекания; определить показатели плотности, пористости и водопоглощения; установить марку керамического кирпича по прочности. Сравнить полученные результаты с данными, приведенными в табл. 16.

Интервал обжига, °С

Кирпич керамический рядовой

Плитки для внутренней облицовки

3 . Образцы высушиваются до постоянной массы, очищаются и взвешиваются: кирпичи с погрешностью 1 г, а другие образцы с погрешностью 0,01 г.

Для определения водопоглощения кирпичи насыщают водой в течение 48 часов. Предварительно определяют геометрические размеры кирпича с погрешностью 0,1 мм. Каждый линейный размер вычисляют как среднее арифметическое трех измерений – двух параллельных друг другу ребер и средней линии между ними. Затем образцы кирпича укладывают в сосуд с водой на ложковые грани в один ряд на подкладку. Уровень воды в сосуде должен быть выше верха образцов в пределах 2…10 см. Расстояние между образцами должно быть не менее 2 см. Через 48 часов образцы вынимают из сосуда с водой, обтирают влажной мягкой тканью, взвешивают не позднее чем через 5 минут.

Образцы плиток насыщаются водой при кипячении в течение 3 часов.

Допускается насыщение кирпича производить в течение 2 часов, а плиток в течение 1 часа кипячением, при этом процесс насыщения остается неизменным, а установленный показатель водопоглощения по массе в процентах умножается на коэффициент 1,1 (установлен сравнительными определениями водопоглощения).

Для определения открытой пористости образца, равной его водопоглощению по объему W_об, и средней плотности образца необходимо определить его объем. Для образцов неправильной геометрической формы применяют объемомер (см. рис. 4).

Водопоглощение по объему W_о показывает степень заполнения водой объема образца и характеризует величину открытой пористости p _от

где m_сух – масса сухого образца, г; m _нас – масса насыщенного водой образца, г; r_воды – плотность воды, г/см 3 ; V_обр – объем образца, см 3 .

Средняя плотность образцов определяют по формуле

Водопоглощение, открытую пористость и плотность керамических материалов и изделий вычисляют как среднее арифметическое результатов параллельных испытаний трех образцов.

2. Определение пределов прочности кирпича при изгибе и при сжатии

Для испытания на изгиб используют целые кирпичи (без трещин), на постелях которых выравнивают места опирания катков и приложения нагрузки слоем цементно-песчаного раствора толщиной не более 3 мм и шириной 25…30 мм. Вместо раствора допускается применять прокладки из строительного войлока толщиной 5 мм.

Образцы до испытания выдерживают в помещении не менее 3 суток. Измерение кирпича производят металлической линейкой с погрешностью 1 мм. Высоту определяют как среднее арифметическое значение двух измерений боковых граней, а ширину как среднее арифметическое двух измерений верхней и нижней граней.

При испытании кирпич укладывают на ложок на два опорных катка 2, расстояние между которыми l = 200 мм, посередине пролета прикладывают сосредоточенную нагрузку через третий каток 1 (рис. 9). Нагрузку на образец передают через прокладки из раствора или войлока.

Рис. 9. Схема испытания кирпича на изгиб: 1 – стержни цилиндрические стальные для восприятия нагрузки при испытании; 2 – места опирания образца на упоры; 3 – слои раствора или войлока толщиной 3…5 мм; N – разрушающая нагрузка

Предел прочности при изгибе отдельного образца определяют по наибольшей нагрузке N , установленной при испытании, с учетом геометрических характеристик его сечения.

Пределы прочности при сжатии и изгибе для кирпича испытываемой партии вычисляют с погрешностью 0,1 МПа как среднее арифметическое значение результатов испытания пяти образцов.

Для испытания на сжатие кирпич распиливают или разделяют любым способом на две равные половины без раздробления.

Допускается применять половинки, полученные в результате испытания кирпича на изгиб. Обе половины кирпича накладывают постелями одна на другую местами распила в разные стороны и соединяют цементно-песчаным раствором. Верхнюю и нижнюю поверхности образцов выравнивают тем же раствором с соблюдением их параллельности. Вместо раствора допускается применять прокладки из строительного войлока.

Испытание производят на прессе, устанавливая образец в центре опорной плиты и плотно прижимая верхней плитой пресса, которая должна прилегать по всей верхней грани образца (рис. 10).

Рис. 10. Схема испытания кирпича на сжатие: 1 – слои цементного раствора состава 1:3 толщиной 3…5 мм; N – разрушающая нагрузка

Нагрузка на образец при испытании должна возрастать равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20…60 секунд после начала испытания. Величина разрушающей нагрузки должна составлять не менее 10 % от предельно развиваемого прессом усилия. Предел прочности при сжатии отдельного образца вычисляют путем деления максимальной нагрузки, отмеченной при испытании, на площадь поперечного сечения образца.

По этим результатам с учетом наименьших показателей прочности, установленных при испытании отдельных образцов, в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 530, устанавливают марку кирпича по прочности (табл. 16).

Предел прочности, МПа, не менее

для кирпича всех видов и камней

для полнотелого кирпича пластического формования

для полнотелого кирпича полусухого формирования и пустотелого кирпича