«СтоБуд» → Обзоры → Гидрофизические свойства.

Гидрофизические свойства.

Особенности структуры и гидрофизические свойства лицевого кирпича

Показана связь степени спекания, пористости и свойств поверхности керамического материала с капиллярным всасыванием при водонасыщении и миграции водных растворов в процессе эксплуатации кирпичной кладки.

1. Введение

Керамический кирпич является древнейшим матеріалом, ипсользуемым в современном строительстве. При этом расширение ассортимента и обеспечение кокурентоспособности должны сопровождаться высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств [1- 6].

Лицевой кирпич

в современном строительстве широко используется, ассортимент и качество которого во многом определяют архитектурную выразительность зданий. Качество и эксплуатационные свойства кирпича связаны с технологическими параметрами производства, его сырьевой базой, и структурой керамики [7-10]. Выполненная работа предусматривает установление роли структуры керамики и лиофильности ее поверхности в процессах взаимодействия с водой.

2. Характеристика объектов исследования

Производство лицевого кирпича в Украине базируется на использовании глинистого сырья различного химико-минералогического состава, главным образом – полиминерального [11-14], характеризующегося повышенным содержанием водорастворимых солей и узким интервалом спекания. Так, наТОВ "Білоцерківські будматеріали" і ПАТ "Слобожанська будівельна кераміка"для производства выбранного в качестве объектов исследования желтого кирпича применяют шихту, представляющую смеси суглинков соответственно близлежащих Кремничанского и Залуцкого месторождений, глины Курдюмовского и Андреевского (DВК-2) месторождений Донецкой области, глуховецкого каолина Винницкой области (табл. 1,2).

Таблица 1.

Состав шихты и параметры производства кирпича

Сырьевые материалы	кирпич белоцерковский	кирпич слобожанский
содер-жание компо нентов, мас.%	время сушки, час.	время обжига, час.	темпе-ратура обжига º С	содер-жание компо нентов, мас.%	время сушки, час.	время обжига, час.	темпе-ратура обжига º С
Суглинок		36	47	1120		62	58	1050
креничанский	53	-
залуцкий	-	50
Глина	–
DBК-2	15	50
курдюмовская	20	-
Каолин глуховецкий	12	-

Таблица 2.

Хімічний склад шихти для виготовлення жовтої цегли

Цегла	Вміст оксидів, мас. %
SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	TiO₂	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	В.п.п.
білоцерківська	68,83	14,82	2,17	0,95	2,65	1,23	0,66	2,19	6,35
слобожанська	72,16	14,66	1,99	0,78	1,62	0,53	0,56	2,06	4,73

В обоих случаях шихта для получения кирпича желтого цвета содержит суглинок и каолинитсодержащие глинистые компоненты при массовом соотношении 1 : 1. Химический состав белоцерковской шихты отличается от слобожанской относительно меньшим содержанием SiO₂и соотношением концентраций SiO₂ : Al₂O₃ (4,6 против 4,9), большим суммарным количеством щелочных и щелочноземельных оксидов типа R₂O+RO (6,73 против 4,77 мас. %). .

По данным рентгенофазового анализа (рис. 1,2) минералогический состав шихты для изготовления сравниваемого кирпича качественно близок. Однако проба белоцерковского отличается существенно большим содержанием каолинита и кальцита при несколько меньшем включении полевого шпат

3. Структура и физико-механические свойства кирпича

После обжига материал красного и желтого кирпича характеризуется полным разрушением основных глинистых породообразующих минералов, некоторым развитием стеклофазы, увеличением концентрации полевых шпатов . Материал красного кирпича отличается присутствием гематита.

Анализ основных физико-механических показателей показывает, что при близких показателях прочности желтый кирпич отличается от красного несколько большей степенью спекания, подтверждается относительно большей условной плотностью, меньшими значениями пористости и водопоглощения .

Таблица 3

Физико-механические свойства кирпича

Кирпич	Водопог- лощение, мас. %	Плотность, г/см³	Пористость, %	Прочность, МПа
	истин-ная	услов-ная	откры-тая	закры-тая	на сжатие	на изгиб
белоцер-ковский	8,9	2,32	1,80	15,98	6,70	12,0	1,69
слобожан-ский	9,3	2,30	2,06	9,89	0,31	16,9	2,1

Рис. 4. Дифрактограмма слобожанского кирпича

Обозначения: V кварц, ʌ кристобалит, Δ полевой шпат

Более детальный анализ пористости показал, что при близкой величине коэффициента микропористости материал белоцерковского кирпича характеризуется существенно большим показателем однородности размера пор и значительно меньшим средним размером открытых капиллярных пор (табл. 4).

Таблица 4.

Характерные показатели пористости кирпича

Кирпич	Показатель однородности размера пор	Показатель среднего размера открытых капиллярных пор, нм	Коэффициент микропористости
белоцер-ковский	0,075	5,2	0,86
слобожан-ский	0,032	12,1	0,9

4. Свойства поверхности и капиллярное всасывание материала кирпича

Использование метода ИК-спектроскопии позволило получить новые данные о составе и структуре поверхности материала керамического кирпича [15] . Сопоставление инфракрасные спектров и данных рентгенофазового анализа дает возможность дифференцировать разновидности кремнезем-содержащих минералов в материале кирпича (рис. 5).

Так, наиболее интенсивные полосы в диапазоне 1068-1087 см^-1 обусловлены валентными колебаниями связи Si – O – Si. Колебания связи Si – O – Al зафиксированы в диапазоне 768-782 см^-1. Интенсивность их характерных полос минимальна для материала желтого кирпича. Сопоставление интенсив-ностей полос поглощения, характерных для связей Si–O–Si и Si–O–Al свидетельствует о превышении первых в 5-7 раз.

Рис. 5. ИК- спектры материала кирпича: 1– белоцерковский; 2- слобожанский.

Интенсивность полос поглощения, характерных для воды (3412-3441 и 1616-1629 см^-1), в материале кирпича значительно меньше по сравнению с силоксановыми связями (1068-1075 и 438-468 см^-1).

Смещение характерных полос поглощения валентных колебаний воды, фиксируется следующим образом: минимумдля красного,а максимум для желтого кирпича. То есть наиболее прочно связанная вода фиксируется в первом случае, а наименее - во втором.

Одной из особенностей ИК-спектров исследуемых материалов стало наличие у них полос средней интенсивности ( на уровне вышеупомянутой воды) в пределах 1380-1383 см^-1. Кроме того, зафиксированы также мало интенсивные полосы при 1866-1884 см^-1.

С учетом особенностей химического состава исходного сырья и шихты выходной для производства кирпича, отмеченные ИК-полосы поглощения можно трактовать следующим образом: наличие карбонатаниона подтверждают экстремумы при 1380-1387 и 1514-1559 см^-1. В чистых карбонатах – это частоты, соответствующие спадающей и возрастающей веткам интенсивной полосы поглощения с максимумом при 1490 см^-1. В случае керамического материала они характеризуются широкой и интенсивной полосой поглощения валентных колебаний силоксановой связи. Интенсивный максимум при 1866-1884 см^-1 может быть обусловлен присутствием связей С=О.

Количественная оценка наиболее интенсивных полос в диапазоне 1380-1387 см^-1 показала, что их минимум характерен для материала желтого кирпича.

Наличие существенных отличий в составе исследуемых керамических материалов сказывается и на свойствах их поверхности, в частности степени ее лиофильности.

Установлено, что при равном краевом угле смачивания неполярной жидкостью (гексаном) материал белоцерковского кирпича отличается от слобожанского большим углом смачивания водой - 80^º против 74^º и значением коэффициента лиофильности (табл. 5).

Таблица 5.

Свойства поверхности материала кирпича

Кирпич желтый	Краевой угол смачивания, град	Коэффициент лиофильности
вода	гексан
белоцерковский	80	2	0,84
слобожанский	74	2	0,7

Наличие специфического взаимодействия поверхности керамического материала с водой может быть проявлением особенностей энергетического состояния его поверхности. Характер изменений коэффициента лиофильности керамических материалов находится в зависимости от смачиванию их водой.

Кроме прямой адсорбции воды материал кирпича способен к ее капиллярному всасыванию. Этот процесс протекает по времени несколько медленнее, однако конечные деструктивные процессы происходят по аналогии с описанными выше.

Оценка способности капиллярного всасывания материала кирпича при окунании согласно стандарта DIN EN ISO15148 показала существенную зависимость кинетики капиллярного водопоглощения от структуры, степени дефектности и лиофильности поверхности(табл. 6).

Материал белоцерковского кирпича после 24 часов экспозиции характеризуется большим увеличением массы,чем слобожанского (19,53 против 16,16 кг/м²). Кинетика этого процесса существенно отличается. Большее конечное значение капиллярного всасывания (5,4 кг/м²*час^0,5) зафиксировано в последнем случае.

Наличие существенного различия в кинетике адсорбции воды и конечных значениях по капиллярному всасыванию поясняется разницей в показателях среднего размера открытых капиллярных пор (максимум у слобожанского кирпича – 12,1 нм) и свойствах поверхности материала.

Таблица 6.

Капиллярное всасывание материала кирпича, W, кг/м²*час ^0,5

( DIN EN ISO15148)

Кирпич желтый	Изменение массы, кг/м²	W
3 мин	5 мин	10 мин	30 мин	1 час	5 часов	24 часа	Расчет	по DIN EN ISO 15148
1 час	24 часа
белоцер-ковский	0,86	1,16	1,91	3,23	4,47	10,57	19,53	4,5	4,0	4,7
слобо-жанский	1,38	1,90	2,43	4,05	5,51	9,81	16,16	4,5	3,3	5,4

5. Выводы

Анализ полученных данных позволяет констатировать, что процесс взаимодействия керамического материала с водой может определятся соотношением между его составом, структурой, степенью дефектности, энергетического состояния поверхности. Подтверждением этому являются количественные параметры таких показателей как пористость и ее характер, водопоглощение, краевой угол смачивания водой. Отмеченные свойства материала кирпича, с нашей точки зрения, играют решающую роль в процессах диффузии водных растворов и образования высолов на поверхности. В практическом отношении - это два взаимосвязанных процесса, которые могут протекать в такой последовательности: адсорбция воды керамическим материалом → ее взаимодействие с водорастворимыми солями → образование солевых водных растворов → диффузия последних в результате изменения градиентов концентрации, влажности, температуры.

Автор:Сергей Вовк