CC BY
26
ДАВЛЕНИЕ ПРЕССОВАНИЯ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ ПОРОД
© Володченко А.А.*
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород
Установлено, что для получения силикатных материалов безавтоклавного твердения на основе песчано-глинистых пород можно использовать повышенные значения давления прессования. При этом прочность сырца повышается в 4-11 раз, а прочность готовых изделий после пропарки повышается более чем в 2 раза. Это позволит снизить брак в процессе формования и облегчит выпуск высокопустотных материалов.
Ключевые слова: известь, песчано-глинистые породы, прочность сырца, безавтоклавные силикатные материалы.
Прессование кирпича является одной из важнейших операций в технологии производства силикатного кирпича. При прессовании необходимо стремиться к максимальному уменьшению свободного пространства между компонентами смеси, так как в этом случае создаются наиболее благоприятные условия для получения силикатного кирпича с высокими физико-механическими характеристиками. Прочность сырца во многом определяет качество силикатного кирпича, так как при транспортировке в автоклав возможны его механические повреждения. Величина прочности сырца в основном обусловлена капиллярными силами, действие которых зависит от дисперсности сырьевой смеси. Использование тонкодисперсного известково-песчаного вяжущего существенно повышает прочность сырца. Рабочее прессовое давление, которое применяется в технологии производства известково-песчаного автоклавного силикатного кирпича, составляет 15-20 МПа. Использование более высокого прессового давления на традиционном сырье не эффективно, так как существенного влияния на повышение прочности это не оказывает.
Установлено, что в качестве сырья для производства силикатных материалов можно использовать рыхлые отложения незавершенной фазы гли-нообразования, которые широко распространены, а также в больших количествах попутно извлекаются при добыче полезных ископаемых [1-20]. Эти породы являются продуктами промежуточной стадии выветривания алю-
* Младший научный сотрудник кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, кандидат технических наук.
мосиликатных пород, заключительной фазой выветривания которых является образование мономинеральных глин. Эти глины используются для производства керамических изделий, а также их можно применять для получения металлокомпозитов [21-30].
Высокая дисперсность песчано-глинистых пород, а также наличие глинистых минералов может позволить более эффективно использовать повышенные значения давления прессования для увеличения прочности сырца и пропаренного кирпича, что явилось целью проведенных исследований.
В качестве вяжущего применяли негашеную известь с активностью 78,3 мас. %.
В работе использовали песчано-глинистые породы месторождений Курской магнитной аномалии. Одна порода классифицирована как супесь, а две другие как суглинки (табл. 1).
Таблица 1
Гранулометрический состав песчано-глинистых пород
Порода Содержание фракций, мас. %, размер сит, мм
более 0,1 0,1-0,05 0,05-0,04 0,04-0,01 менее 0,01
Супесь 15,7 12,90 5,82 42,95 22,63
Суглинок № 1 0,55 20,72 18,58 21,15 39,0
Суглинок № 2 0,2 9,33 9,56 29,86 51,05
Количество пелитовой фракции в суглинке № 1 и № 2 составляет соответственно 39,0 и 51,05 мас. %. Для супеси этот показатель составляет 22,63 мас. %. В основном породы содержат алевритовую и пелитовую фракции. Содержание псаммитовых частиц для суглинков находится в пределах 0,2-0,55 мас. %, для супеси - 15,7 мас. %. Пелитовая фракция содержит тонкодисперсный кварц и глинистые минералы.
Исследование пород с помощью электронного микроскопа показало, что микроструктуру супеси можно охарактеризовать как скелетную. Скелетная микроструктура данной породы сложена в основном изометрич-ными зернами кварца с различной степени окатанности, которые формируют однородный минеральный «скелет». Первичные пылеватые зерна и глинистые микроагрегаты образуют глинистые и глинисто-пылеватые агрегаты, которые состоят из нескольких глинистых микроагрегатов.
Глинистый материал неравномерно распределен по объему и не создает сплошной матрицы, а концентрируется на поверхности зерен кварца в виде сплошных «рубашек» или на контактах пылеватых и песчаных зерен, образуя между ними связки и «мостики» с контактами коагуляцион-ного типа.
В преобладающей массе частицы кварца имеют неокатанную форму. На поверхности кварца отчетливо видны неровности и следы коррозии.
При большом увеличении наблюдаются микроагрегаты глинистых минералов размером менее 100 нм.
Микроструктуру суглинков № 1 и № 2 также можно охарактеризовать как скелетную. Здесь наблюдается больше микроагрегатов и агрегатов глинистых минералов. Микроагрегаты имеют пластинчатую, листоватую, вытянутую и слегка изогнутую форму. Внутри агрегатов наблюдается различная ориентация микроагрегатов. Однако преобладают агрегаты с неориентированным или слабоориентированным расположением микроагрегатов. Встречаются блоки с высокой ориентацией микроагрегатов. Все это свидетельствует о полиминеральном составе глинистой фракции. В составе суглинков наблюдаются также частицы размером менее 100 нм.
Минеральный состав глинистых пород исследовался с помощью термографического и рентгенографического методов анализа.
На кривых дифференциально-термического анализа зафиксированы эндотермические эффекты в области температур 100-120 °С, свидетельствующие об удалении адсорбционной. Эндоэффект при и 520-530 °°С соответствует удалению конституционной воды глинистых минералов. Небольшой эндотермический эффект при температуре 575 °С, связанный с полиморфным превращением кварца, особенно выделяется в суглинках. Эндотермические эффекты при температуре около 750 °С свидетельствуют о наличии в глинистых породах карбоната кальция.
Рентгенофазовые исследования показали, что глинистая фракция пород представлена монтмориллонитом (рефлексы 14,25-17,96 А). Серия рефлексов (10,0; 5,0; 3,32 А) свидетельствуют о наличии в породе гидрослюды. Межплоскостные расстояния, кратные 7,138-7,2 А, характеризуют каолинит. Наличие серии рефлексов на рентгенограммах в области углов отражения 0 = 8-18° позволяет предположить, что глинистые породы, вероятно, содержат смешаннослойные образования типа гидрослюда-монтмориллонит. Наличие фона на рентгенограммах позволяет судить о присутствии рентгеноаморфной фазы.
Таким образом, исследуемые песчано-глинистые породы содержат большое количество тонкодисперсного слабоокатанного кварца, поверхность которого в различной степени корродированна, кальцит и глинистые минералы. Последние представлены гидрослюдой, монтмориллонитом, каолинитом и смешаннослойными образованиями. Породы также содержат рентгеноаморфную фазу. Отсюда следует, что спецификой этих отложений является незавершенность процессов глинообразования. Полиминеральный состав песчано-глинистых пород и их термодинамическая неустойчивость предопределяют возможность взаимодействия с известью с образованием цементирующих соединений при гидротермальной обработке без давления и, соответственно, получения стеновых силикатных материалов с низкими энергозатратами.
Сырьевые смеси готовили с содержанием извести 10 мас. %, что является оптимальным для достижения максимальной прочности пропаренных образцов [26, 28]. Известь предварительно подвергали помолу до удельной поверхности 5000 см 2/г. Измельченную известь и исследуемую породу перемешивали в заданном соотношении, увлажняли водой и выдерживали в закрытой чашке для гашения извести. Формование образцов проводили при удельном давлении прессования 10-50 МПа. Формовочная влажность составляла 10 %
Влияние давления прессования на прочность сырца зависит от вида песчано-глинистой породы (рис. 1).
Прочность сырца, сформованного при давлении 10 МПа, для всех изучаемых пород имеет близкие значения и составляет 1,25-1,4 МПа. Увеличение давления прессования до 50 МПа приводит к повышению прочности сырца на основе супеси до 3 МПа (см. рис. 1, кривая 1). Это выше прочности известково-песчаных (контрольных) образцов в 7 раз.
Гораздо больше увеличение давления прессования влияет на рост прочности сырца на основе суглинков. Для этих пород характер изменения прочности и ее величина приблизительно одинаковы (см. рис. 1, кривая 2 и 3). Прочность сырца при этом повышается до 5 МПа, т. е. в 11 раз по сравнению с контрольными образцами. Можно сделать вывод, что повышение давления прессования увеличивает прочность сырца тем больше, чем выше содержание пелитовой фракции в породе.
о
0
1
з-о о. 1=
э
о. с
3 г"<Г
1 ,
ии
>---
10 20 30 40
Давление прессования, МПа
50
Рис. 1. Влияние прессового давления на прочность сырца: 1 - супесь; 2 - суглинок № 1; 3 - суглинок № 2
В процессе прессования сырца под давлением происходит сближение компонентов сырьевой смеси, в результате чего снижается ее первоначальная пустотность. Капиллярное давление, являющееся основным фактором повышения прочности сырца, зависит от содержания в смеси тонкодисперсных частиц, в том числе частиц коллоидных размеров. При производстве традиционного известково-песчаного силикатного кирпича довольно сложно получить вяжущее с высоким содержанием частиц коллоидного размера. Это не позволяет получать сырец с высокой прочностью. Увеличение времени помола вяжущего существенно увеличивает энергоемкость производства, хотя большого влияния на рост прочности сырца не оказывает.
Значительное повышение прочности сырца на основе песчано-глинис-тых пород обеспечивается высокодисперсными частицами, содержащимися в породе. За счет этих частиц уплотняется структура композита. Натяжения жидкости в мельчайших капиллярах создает большие удельные давления, что и приводит к увеличению прочности сырца. При повышении давления прессования за счет уменьшения размеров капилляров увеличиваются капиллярные силы.
Как ранее отмечалось, известково-песчаное сырье не позволяет эффективно использовать повышенные параметры давления прессования, так как при этом существенного повышения прочности сырца не происходит. Для сырьевых смесей, полученных с использованием песчано-глинистых пород, наоборот, выгоднее использовать более высокие значения давления прессования. Поэтому при использовании предприятиями предлагаемого сырья целесообразно применять прессы, позволяющие формовать изделия при давлениях до 50 МПа.
Эксперименты по изучению влияния давления прессования на прочностные свойства пропаренных при температуре 90-95 °С силикатных материалов проводили с использованием суглинков (рис. 2).
С увеличением прессового давления предел прочности при сжатии образцов, полученных с использованием суглинков № 1 и 2, возрастает соответственно с 14,2 до 31,6 МПа и с 14,1 до 32,4 МПа, т. е. в 2,2 раза (см. рис. 2, кривая 1 и 2). Наибольшее повышение прочности происходит при увеличении давления прессования до 30 МПа.
Средняя плотность образцов для суглинка № 1 повышается с 1635 до 1925 кг/м 3 и для суглинка № 2 с 1580 до 1910 кг/м 3 (см. рис. 2, кривая 3 и 4).
Полученные данные свидетельствуют, что предел прочности при сжатии образцов на суглинке № 2 выше, чем на суглинке № 1. Средняя плотность, напротив, меньше, что связано, вероятно, с более высоким содержанием пелитовой фракции в суглинке № 2. Однако при увеличении давления прессования разница в значениях средней плотности уменьшается, а при давлении прессования 50 МПа средняя плотность практически одинакова для используемых суглинков.
Давление прессования. МПа
Рис. 2. Влияние давления прессования на предел прочности при сжатии (1, 2) и среднюю плотность (3, 4): 1, 3 - суглинок № 1; 2, 4 - суглинок № 2
Термографические исследования пропаренных образов показали наличие эндотермического эффекта в области температур 100-200 °С и зкзо-термического эффекта при 900 и 940 °С, которые свидетельствуют о наличии слабоокристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция. Слабовыраженный эндотермический эффект в области температур 400500 °С относится к потере конституционной воды неизмененных глинистых минералов. Эндотермический эффект при 700 °С обусловлен разрушением водного основного карбосиликата кальция ориентировочного состава Са8Ю3СаС03Са (0И)2пИ20. При этой температуре также фиксируется потеря массы за счет выделения углекислого газа.
На дериватограммах отсутствуют эффекты дегидратации гидроксида кальция. Это свидетельствует о том, что известь полностью прореагировала с породообразующими минералами изучаемого сырья.
На рентгенограммах образцов наблюдается рефлекс при 2,74 А, который можно отнести к гидрогранатам. Эти соединения обладают слабыми вяжущими свойствами, однако совместно с гидросиликатами кальция играют роль микронаполнителя и оптимизируют состав цементирующего соединения.
Изучение микроструктуры проводили на образцах, сформованных при давлении прессования 10 и 50 МПа (рис. 3). С увеличением давления прессования наблюдается повышение плотности упаковки материала, что приводит к увеличению прочности.
Рис. 3. Микроструктура образцов на основе суглинка № 1 (а, б) и суглинка № 2 (в, г), РЭМ: х10000; давление прессования, МПа: а, в - 10; б, г - 50
Композит на основе суглинка № 2 имеет более плотную микроструктуру, чем на основе суглинка № 1. Размер микроагрегатов достигает 1-3 мкм, причем, при повышении давления прессования размер микроагрегатов уменьшается.
В образцах с суглинком № 2 за счет более высокого содержания пели-товой фракции соответственно образуется больше новообразований. Как показали исследования на электронном микроскопе микроагрегаты из новообразованного вещества в совокупности с тонкодисперсным кварцем и
глинистым материалов образуют более плотную структуру композита. За счет этого, вероятно, обеспечивается более прочный состав цементирующих соединений и, соответственно, более высокая прочность.
Установлено, что цементирующие соединения безавтоклавных силикатных материалов на основе песчано-глинистых пород обладают гидравлическими свойствами, которые обусловлены процессом дальнейшего образования и перекристаллизации гидросиликатов кальция, за счет чего оптимизируется соотношение между гелевидными и кристаллическими компонентами и уплотняется структура цементирующего соединения.
Можно сделать вывод, что изучаемое сырье за счет содержащихся в них метастабильных глинистых минералов наноразмерного уровня активно взаимодействует с известью в условиях пропарки при температуре 90-95 °С с образованием слабоокристаллизованных низкоосновных гидросиликатов кальция, водного основного карбосиликата кальция и гидрогранатов, что приводит к возникновению прочной конденсационно-кристаллизационной и кристаллизационной структуры материала, обеспечивающей высокие физико-механические показатели силикатных материалов.
Таким образом, для сырьевых смесей на основе песчано-глинистых пород эффективно использовать повышенные значения давления прессования. При этом прочность сырца повышается в 4-11 раз, прочность готовых изделий после пропарки повышается более чем в 2 раза. Это позволит в процессе формования снизить брак и облегчить выпуск высокопустотных материалов.
Список литературы
1. Володченко, А.Н. Автоклавные ячеистые бетоны на основе магнезиальных глин / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2012. - № 5. - С. 14-21.
2. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на оптимизацию микроструктуры автоклавных силикатных материалов : сб. науч. тр. / А.Н. Володченко. - 2012. - Т. 47. - № 4. - С. 32-36.
3. Володченко, А.Н. Вяжущее на основе магнезиальных глин для автоклавных силикатных материалов : сб. науч. тр. / А.Н. Володченко. - 2012. - Т. 30. -№ 3. - С. 38-41.
4. Володченко, А.Н. Автоклавные силикатные материалы на основе отходов горнодобывающей промышленности // : сб. науч. тр. 8^огИ / А.Н. Володченко. -2012. - Т. 47. - № 4. - С. 29-32.
5. Володченко, А.Н. Реологические свойства газобетонной смеси на основе нетрадиционного сырья / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2012. -№ 3. - С. 45-48.
6. Володченко, А.Н. Взаимодействие мономинеральных глин с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях : сб. науч. тр. 8^огИ / А.Н. Володченко. -2012. - Т. 30. - № 3. - С. 35-37.
7. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинитых пород на пластичность газобетонной массы : сб. науч. тр. Sworld / А.Н. Володченко. - 2013. - Т. 43. - № 1. -С. 7-10.
8. Володченко, А.Н. Нетрадиционное сырье для автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Технические науки - от теории к практике. - 2013. -№ 20. - С. 82-88.
9. Володченко, А.Н. Влияние глинистых минералов на свойства автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Инновации в науке. - 2013. - № 21. -С. 23-28.
10. Володченко, А.Н. Влияние состава сырья на пластическую прочность газобетонной смеси : сб. науч. тр. Sworld / А.Н. Володченко. - 2013. - Т. 39. - № 2. -С. 45-49.
11. Володченко, А.Н. Повышение морозостойкости силикатных материалов на основе нетрадиционного сырья / А.Н. Володченко // Инновации в науке. - 2013. -№ 24. - С. 24-30.
12. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на морозостойкость автоклавных силикатных материалов : сб. науч. тр. Sworld / А.Н. Володченко. -
2013. - Т. 50. - № 3. - С. 8-13.
13. Володченко, А.Н. Объемное окрашивание автоклавных силикатных материалов глинистыми породами : сб. науч. тр. Sworld / А.Н. Володченко. - 2014. -Т. 19. - № 1. - С. 18-24.
14. Володченко, А.Н. Идентификация продуктов автоклавной обработки вяжущего на основе магнезиальных глин : сб. науч. тр. Sworld / А.Н. Володченко. -
2014. - Т. 19. - № 1. - С. 24-29.
15. Володченко, А.Н. Природный пигмент для окрашивания автоклавных силикатных изделий / А.Н. Володченко // Технические науки - от теории к практике. -2014. - № 31. - С. 96-102.
16. Володченко, А.Н. Изучение продуктов взаимодействия магнезиальной глины с известью при автоклавной обработке / А.Н. Володченко // Инновации в науке. - 2014. - № 30-1. - С. 89-95.
17. Лесовик, В.С. Влияние наноразмерного сырья на процессы структурообразова-ния в силикатных системах / В.С. Лесовик, В.В. Строкова, А.А. Володченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -
2010. - № 1. - С. 13-17.
18. Лесовик, В.С. Долговечность безавтоклавных силикатных материалов на основе природного наноразмерного сырья / В.С. Лесовик, А.А. Володченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -
2011. - № 2. - С. 6-11.
19. Лесовик, В.С.Влияние состава сырья на свойства безавтоклавных силикатных материалов / В.С. Лесовик, А.А. Володченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2013. - № 1. - С. 10-15.
20. Лесовик, В.С. Влияние глинистого сырья на микроструктуру безавтоклавных силикатных материалов : сб. науч. тр. Sworld / В.С. Лесовик, А.А. Володченко. - 2012. - Т. 30. - № 3. - С. 42-44.
21. Ключникова, Н.В. Строительные материалы на основе металлической матрицы и неметаллического наполнителя / Н.В. Ключникова, Е.А. Лымарь, А.М. Юрьев // Успехи современного естествознания. - 2003. - № 12. - С. 79-82.
22. Ключникова, Н.В. Особенности создания композитов строительного назначения на основе металлической матрицы и неметаллического наполнителя / Н.В. Ключникова, Е.А. Лымарь, А.М. Юрьев // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2003. - № 5. - С. 61-63.
23. Ключникова, Н.В. Перспективность использования металлокомпозитов на предприятиях энергетического профиля / Н.В. Ключникова, ЕА. Лымарь, А.М. Юрьев // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2004. - № 8. - С. 26-28.
24. Ключникова, Н.В. Конструкционная металлокерамика - один из перспективных материалов современной техники / Н.В. Ключникова, Е.А. Лымарь // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. -2005. - № 9. - С. 111-114.
25. Ключникова, Н.В. Влияние металлического наполнителя на стадии струк-турообразования композиционных материалов на основе керамической матрицы / Н.В. Ключникова, Е.А. Лымарь // Стекло и керамика. - 2005. - № 10. - С. 19-22.
26. Ключникова, Н.В. Рентгенофазовый анализ композиционных материалов на основе глин : сб. науч. тр. Sworld / Н.В. Ключникова. - 2013. - Т. 7. - № 1. - С. 3-10.
27. Ключникова, Н.В. Влияние металлического компонента на свойства кера-мометаллических композитов : сб. науч. тр. Sworld / Н.В. Ключникова. - 2013. -Т. 39. - № 2. - С. 54-60.
28. Ключникова, Н.В. Исследование физико-механических свойств керамоме-таллического композита : сб. науч. тр. Sworld / Н.В. Ключникова // по материалам международной науч.-практ. конф. - 2013. - Т. 7. - № 1. - С. 10-15.
29. Ключникова, Н.В. Выбор компонентов как важное условие создания композитов с заданными свойствами : сб. науч. тр. Sworld / Н.В. Ключникова. - 2013. -Т. 43. - № 1. - С. 16-21.
30. Klyuchnikova, N.V. Production of metal composite materials / N.V. Klyuchnikova, E.A. 'Lumar // Glass and Ceramics. - 2006. - Т. 63. - № 1-2. - С. 68-69.
