УДК 541.64:547.759.32
СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ НИЗКОПЛАСТИЧНОГО ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ И ВСКРЫШНОЙ ПОРОДЫ ДИОПСИДА
[1], [2], [3]
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
664074, 3.
Усольский филиал,
665462, г. Усолье-Сибирское, .
Применение в производстве строительной керамики низкосортного глинистого сырья, широко распространённого в Байкальском регионе, обуславливает необходимость разработки составов керамических масс с использованием различных видов добавок упрочняюще-армирующего действия. Введение 3 % диопсида в массы на основе легкоплавких глин уменьшает водопоглощение при температуре обжига 800 ○С в 1,3–2 раза. Диопсид в сочетании с легкоплавкими глинами играет роль плавня, интенсифицируя процесс спекания. Прочность при введении диопсида в массы повышается в сочетании с вермикулитсодержащим сырьем.
Табл. 6. Ил. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: глинистые минералы; диопсид; спекание; вермикулит.
BUILDING CERAMIC BASED ON LOW-DUCTILE CLAY RAW MATERIALS AND DIOPSIDE OVERBURDEN
SafonovaT., NesterovaT., ZykovaJ.
National Research Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk 664074
Abstract: Application of widespread in the Baikal region building ceramics of low-grade clay material in the production necessitates development of the compositions of ceramic masses with different types of reinforcing action additives. Addition of 3% diopside into masses on the base of fusible clays mixture reduces water absorption at firing temperature of 800⁰C 1,3-2 times greater. In combination with low-melting clays diopside functions as a flux, intensifying the sintering process. Addition of diopside in mud combining with vermiculite raw materials increases the strength.
Keywords: clay minerals, diopside, sintering, vermiculite
Особенностью сырьевой базы Байкальского региона является практически полное отсутствие высококачественного глинистого сырья. В большинстве случаев для местных легкоплавких глин и суглинков характерен сложный вещественный состав. Это делает необходимым детальное исследование всего комплекса физико-химических и технологических свойств глинистого сырья и поиск новых технологических решений, которые обеспечат выпуск высококачественных строительных материалов. Применение в производстве строительной керамики низкосортного глинистого сырья, широко распространённого в Байкальском регионе, обуславливает необходимость разработки составов керамических масс с использованием различных видов добавок упрочняюще-армирующего действия.
Опыт применения диопсидовых пород в производстве строительной керамики показал эффективность его использования в массах для строительных материалов различного назначения. Применение диопсида в композиции с легкоплавкими глинами и суглинками обеспечивает формирование высокопрочной строительной керамики при температурах обжига 950…1050 ºС, отвечающей повышенным требованиям.
Целью работы является разработка составов масс для производства высококачественных керамических строительных материалов на основе низкопластичного глинистого и диопсидового сырья.
Исследованы представительные пробы пяти месторождений глинистого сырья Байкальского региона.
Химический состав исследованных глинистых пород представлен в табл. 1. По химическому составу глинистые материалы относятся к кислым и полукислым с высоким содержанием красящих оксидов. Содержание SiO2 около 60 % предполагает высокое содержание песчаных частиц.
Таблица 1
Химический состав глинистых пород
Наименование сырья | Содержание оксидов, масс. %. | ||||||||
SiO2 | Al2O3 | TiO2 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | ппп | |
Легкоплавкие суглинки и супеси | |||||||||
Суглинок тимлюйский | 60,50 | 17,15 | 0,99 | 7,07 | 2,71 | 2,80 | 2,33 | 2,63 | 3,82 |
Суглинок олонский | 56,12 | 14,70 | 0,80 | 5,91 | 8,40 | 2,71 | 1,95 | 1,43 | 7,98 |
Глина слюдянская | 61,33 | 16,95 | 1,06 | 6,58 | 1,91 | 2,76 | 2,48 | 2,71 | 4,22 |
Суглинок мальтинский | 53,99 | 13,33 | 0,87 | 6,35 | 8,53 | 6,56 | 1,67 | 1,41 | 7,29 |
Суглинок максимовский | 57,75 | 15,95 | 0,92 | 7,12 | 4,95 | 3,14 | 1,91 | 1,65 | 6,61 |
Гранулометрический состав в основном представлен пылеватыми и песчаными частицами. Фракции менее 1 мкм в породах Олонского, Тимлюйского, Мальтинского, Максимоского и Слюдянского месторождений составляют от 7 до 13 % (табл. 2). По гранулометрическому составу сырьё относится к пылеватым суглинкам.
Таблица 2
Гранулометрический состав глинистого сырья
Наименование сырья | Содержание частиц, %, размером, мм | ||||
1-0,06 | 0,06-0,01 | 0,01-0,005 | 0,005-0,001 | <0,001 | |
Суглинок тимлюйский | 40 | 21,29 | 26 | 5,35 | 7,36 |
Суглинок олонский | 40 | 17,43 | 28 | 11,3 | 11,6 |
Суглинок слюдянский | 44 | 12,70 | 20,92 | 9,08 | 13,3 |
Суглинок максимовский | 55,29 | 14,71 | 24 | 7 | 9,0 |
Суглинок мальтинский | 30,7 | 20,05 | 20,9 | 9 | 9,35 |
Данные рентгенофазового анализа, проведённого для пород, показали, что минеральный состав глинистых пород представлен кварцем, полевым шпатом, карбонатами, каолинитом, гидрослюдой, монтмориллонитом, смешано-слойными минералами и вермикулитом. Данные рентгенофазового анализа подтверждаются результатами термического анализа. Практически все глинистые породы относятся к легкоплавким. Сырьё является мало - и умереннопластичным и среднечувствительным к сушке (табл. 3).
Таблица 3
Технологические свойства глинистого сырья
Наименование сырья | Число пластичности | Коэффициент чувствительности к сушке | Огнеупорность, ○С |
Малопластичное | |||
Тимлюйский суглинок | 3 | 0,15 | <1350 |
Олонский суглинок | 4 | 0,75 | <1350 |
Мальтинская глина | 4,5 | 0,53 | <1350 |
Максимовская глина | 4 | 0,17 | <1350 |
Умереннопластичное | |||
Слюдянская глина | 10 | 0,15 | <1350 |
Пластичность глинистых пород повышается с увеличением в сырье фракций менее
1 мкм. Коэффициент чувствительности к сушке определяется как количеством, так и природой глинистых минералов (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость технологических свойств глинистого сырья от содержания в породе фракций менее 0,001 мм: 1- тимлюйский суглинок; 2 – максимовский суглинок; 3 – мальтинский суглинок; 4 – олонский суглинок; 5 – слюдянский суглинок
Диопсидовое сырьё, используемое в работе, характеризуется массивной текстурой, крупно - и среднезернистой структурой. Преобладающие оттенки породы – от серого до светло-коричневого. Порода состоит в основном из оксидов кремния, кальция, магния и содержит 0,78 % оксида железа (табл. 4).
Таблица 4
Химический состав диопсидсодержащей породы
Наименование сырья | Содержание оксидов, масс. % | |||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O+Na2O | |
Вскрышная диопсидовая порода | 50,86 | 12,1 | 0,78 | 21,5 | 14,00 | 0,81 |
По составу порода является полиминеральной. Основной минерал вскрышной диопсидовой породы – диопсид в количестве 50 %, а кварц, амфибол, апатит и кальцит присутствуют в качестве примесей.
В массы для производства кирпича на основе малопластичных легкоплавких суглинков диопсид вводился в количестве 3–9 %. Массы названы заглавными буквами месторождений глинистого сырья (буквой Н обозначены массы Мальтинского месторождения). Компонентные составы диопсидсодержащих масс приведены в табл. 5.
Таблица 5
Компонентные составы масс, содержащих вскрышную породу диопсида
Обозначение шихт | Содержание компонентов, масс % | |
Суглинки | Диопсид | |
ТД0, ОД0, МД0, НД0, СД0 | 100 | 0 |
ТД3, ОД3, МД3, НД3, СД3 | 97 | 3 |
ТД6, ОД6, МД6, НД6, СД6 | 94 | 6 |
ТД9, ОД9, МД9, НД9, СД9 | 91 | 9 |
Влияние добавки на спекание, а также на свойства строительных материалов после обжига исследовалось на таких показателях, как водопоглощение, усадка, плотность и прочность на сжатие образцов, обожженных при разных температурах.
При введении диопсидовой породы с большим содержанием плавней (кальцит, апатит) в массы на основе малопластичных суглинков; у образцов, обожженных при температуре 800 °С и содержании диопсида в шихте в количестве 3 %, уменьшается водопоглощение в 1,3–2 раза, плотность увеличивается с 1700–1900 кг/м3. Лучшие показатели получены у образцов на основе слюдянского суглинка, содержащего вермикулит, обожженных при температуре 1000 ○С, водопоглощение при этом уменьшается с 14 до 8 %, прочность повышается в 2 раза с 10 до 22 МПа (рис. 2).
| |
| |
|
|
Массы на основе:
А – тимлюйского (tобж.800 ºС),
Б – олонского (tобж. 900 ºС),
В – слюдянского (tобж.1000 ºС),
Г – мальтинского (tобж.800 ºС),
Д – максимовского (tобж.800 ºС) суглинков.
– прочность;
– водопоглощение
|
Рис. 2. Изменение свойств керамики на основе полиминерального глинистого сырья
в зависимости от содержания вскрышной диопсидовой породы в шихте
Термический анализ масс, проведённый для суглинков и лучших масс с диопсидом, показал отличие кривых ДТА в области температур 900–1100 °С. На кривых ДТА-масс фиксируется экзотермическая реакция, отсутствующая на ДТА глинистого сырья, вероятно связанная с образованием новых фаз при введении диопсида.
Приведённые результаты исследований показывают, что эффект введения диопсида в глинистые породы различен и не зависит от минерального состава глинистого сырья.
Результаты испытаний приведены в табл. 6.
Таблица 6
Свойства глиняного кирпича
Свойства | Свойства по ГОСТ | Массы (температура обжига, ºС) ТД6 ОД3 СД3 НД3 (1050 ºС) (900 ºС) (1000 ºС) (950 ºС) Полученные свойства |
Водопоглощение,% | 6–14 | 6 12 8 12 |
Прочность при сжатии, МПа | М150- не менее 15 МПа М175- не менее 17,5 МПа М200- не менее 20 МПа | 20 19 20 16 |
Морозостойкость | F 50 – не менее 50 циклов F 35 – не менее 35 циклов | 35 25 30 35 |
Плотность, кг/м3 | 1600…1900 | 1800 1800 1900 1800 |
На основании результатов данной работы сделаны следующие выводы:
1. Легкоплавкие глинистые породы Иркутской области и Прибайкалья относятся к кислому и полукислому с сырью высоким содержанием красящих оксидов (Fe2O3 4…8 %).
Гранулометрический состав глинистого сырья в большей части представлен песчаными (30…55 %) и пылеватыми частицами (около 40 %), которые составляют кварц, полевой шпат, кальцит, слюда. Содержание глинистых минералов в малопластичном сырье 7,35…11,6 %, умереннопластичном – 13,3 %.
2. Глинистое сырьё является мало - и умереннопластичным и среднечувствительным к сушке. Число пластичности увеличивается от 3 до 10 в зависимости от повышения содержания глинистых минералов в породе. Коэффициент чувствительности к сушке определяется наличием монтмориллонита в сырье.
3. В основном исследованные глинистые породы являются гидрослюдисто-каолинитовыми с примесью монтмориллонита, содержание которого изменяется от 0 до 40 %.
4. Процессы при термической обработке глинистого сырья определяются его минеральным составом. Решающим интервалом в сложении прочности малопластичных суглинков при обжиге является интервал 800…1000 °С, характеризующийся твердофазовым спеканием, в котором прочность образцов увеличивается на 50…70 %.
5. В легкоплавких суглинках различного минерального состава упрочняющий эффект при введении вскрышной диопсидовой породы в основном не наступает.
6. При температуре обжига 800–950 °С водопоглощение при введении 3–9 % вскрышной диопсидовой породы уменьшается: в композиции с тимлюйским суглинком – с 15 до 7 %, в композиции со слюдянским суглинком – с 15 до 10 %, в композиции с олонским суглинком – с 17 до 12 %, в композиции с мальтинским суглинком – с 13 до12 %, в композиции с максимовским суглинком – с 13 до 11 %.
7. В сочетании с глиной, содержащей вермикулит, диопсид, реагируя с продуктами разложения вермикулита, увеличивает температуру вспучивания и потери прочности образцов минимум на 50 °С. Введение 3 % диопсидовой породы увеличивает прочность образцов при температуре 1000 °С с 10 до 19 МПа.
8. При температуре обжига 800–950 °С плотность при введении 3–9 % вскрышной диопсидовой породы в среднем увеличивается с 1700 до 1900 кг/м3.
Библиографический список
1. , , Борило неорганические материалы на основе природных и искусственных соединений. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2002. – 358 с.
2. , , Баяндина при обжиге легкоплавких суглинков // Современные техника и технологии: материалы XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск, 2011. – Т. 3. – С. 118–123.
3. Шильцина формирования структуры и прогнозирования свойств строительной керамики из грубозернистых масс: дис. … д-ра техн. наук: 05.17.11, 05.23.05: Абакан, 2004. – 400 с.
4. Вакалова использование природного и техногенного сырья в керамических технологиях // Строительные материалы. – 2007. – № 4. –
С. 45–50.
[1] , аспирант кафедры химической технологиии неорганических веществ и материалов филиала Иркутского государственного технического университета в г. Усолье-Сибирское.
Safonova Tatiana, a Postgraduate of Chemical Technology of Inorganic Substances and Materials Department, Branch of Irkutsk State Technical University in Usolie-Sibirskoye.
[2] , студентка 6 курса кафедры «Химическая технология неорганических веществ и материалов» филиала Иркутского государственного технического университета в г. Усолье-Сибирское.
Nesterova Tatiana, sixth-year student of Chemical Technology of Inorganic Substances and Materials Branch of the Irkutsk State Technical University in Usolie-Sibirskoye
[3] , старший преподаватель кафедры «Химическая технология неорганических веществ и материалов» филиала Иркутского государственного технического университета в г. Усолье-Сибирское.
Zykova Julia, a senior lecturer of Chemical Technology of Inorganic Substances and Materials Department, Branch of Irkutsk State Technical University in Usolie-Sibirskoye
