CC BY
72
УДК 661
A. М. Салахов, Р. Р. Кабиров, Г. Р. Фасеева,
B. П. Морозов, Р. А. Салахова
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ЛЕГКОПЛАВКИХ ГЛИН, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПРИРОДНЫМИ ДОБАВКАМИ
Ключевые слова: легкоплавкие глины, цеолтсодержащие породы, поровое пространство.
Проведенные рентгенографические исследования цеолитсодержащей породы Татарско-Шатрашанского месторождения. Установлены температурные интервалы фазовых превращений происходящих при обжиге. Показано улучшение эксплуатационных характеристик кирпича с возможностью повышения энергоэффективности производства.
Keywords: fusible clay, zeolite rock pore space.
Conducted by X-ray studies of zeolite rocks Tatar-Shatrashanskoe field. Set temperature intervals of phase transformations occurring during firing. Shown to improve the performance of brick with the possibility of increasing the energy efficiency of production.
Введение
Поиск новых технологических решений неразрывно связан с использованием новых сырьевых материалов. В последнее время большое внимание уделяется использованию кремнистых пород (опок, трепелов, диатомитов), запасы которых в России колоссальны, но востребованы мало [1 - 3]. В этой связи нами проведены работы по изучению кремнистых пород, в том числе карбонатистых трепелов Первомайского месторождения республики Чувашия, а также цеолитсодержащих пород Татарско-Шатрашанского месторождения республики Татарстан.
Создание инновационных материалов с высокими теплофизическими характеристиками традиционно опирается на управление структурой порового пространства. Пористые материалы в большинстве случаев обладают сложной нерегулярной стохастической структурой [4]. Отдельные поры, составляющие в совокупности пространство пор, отличаются по форме, размерам, ориентации и кривизне поверхности. На структуру пор керамических материалов в первую очередь оказывают влияние характеристики исходного сырья.
Экспериментальная часть
Элктронно-микроскопические исследования трепела Первомайского месторождения выявили высокодисперсную гетерогенную структуру (рис.1) со значительными колебаниями элементного состава (табл.1). Трепел отличается малым содержанием оксида алюминия, отдельные участки, состоящие преимущественно из кремния и кислорода, отличаются очень высокой удельной поверхностью.
Используя трепел в качестве модификатора глин Алексеевского и Сахаровского месторождений, нами были получены образцы керамики с низкими значениями коэффициента теплопроводности, что позволяет производить энергоэффективную продукцию.
Рис. 1 - РЭМ изображение трепела Первомайского месторождения
Таблица 1 - Содержание элементов в различных точках исследуемого образца трепела Первомайского месторождения
Элементы O Al Si Ca
Содержание, в% 71 1 26 2
Содержание, в% 81 2 8 9
Содержание, в% 76 2 8 14
Содержание среднее по образцу, в% 71 2 18 9
Рентгенографические исследования
цеолитсодержащей породы Татарстан-
Шатрашанского месторождения выявили целый ряд важных закономерностей.
1. Установлено, что при обжиге цеолитсодержащей породы при температуре 800°С синтезируется волластонит, а с подъемом температуры обжига до 1100° его доля в составе кристаллической фазы керамического материала возрастает с 11 до 33%.
2. Наряду с волластонитом вслед за диссоциацией карбонатов, по мере вступления в реакцию
твердофазного синтеза оксида кальция формируются ортосиликат кальция (ларнит) и диопсид. Общее количество силикатов кальция при температуре обжига 1100°С составляет 45%, тогда как содержание в образце алюмосиликатов (альбит) составляет всего лишь 19%.
Таблица 2 - Изменение минерального состава цеолитсодержащей породы Татарстан-Шатрашанского месторождения в связи с подъемом температуры от 50 до 1100°С
Тобж Кварц Клино Волластон Мусковит Альбит Кальттит СаО Кри Три Диопсид Ларнит Крист/ам фазы
50 15 12 28 40 - 5 - - 74/2 6
100 15 13 25 42 - 6 - - 77/2 3
200 16 14 30 30 - 9 - - 75/2 5
300 16 12 23 40 - 9 - - 75/2 5
400 16 9 32 36 - 7 - - 75/2 5
500 16 5 30 7 35 - 7 - - 70/3 0
600 20 8 29 9 26 - 8 - - 68/3 2
700 27 12 22 16 - 10 3 10 - - 65/3 5
800 35 - 11 11 15 - 12 4 10 - - 61/3 9
900 14 - 13 16 4 - 7 12 16 10 62/3 8
950 15 - 14 14 18 - 4 4 7 16 8 67/3 3
1000 15 - 15 12 20 - 3 6 6 14 9 66/3 4
1050 14 - 19 10 20 - - 1 2 - 25 - 68/3 2
1100 20 - 33 - 19 - - 1 6 - 12 - 68/3 2
3. Выявлено, что цеолиты в породе Татарстан-Шатрашанского месторождения представлены минералом клиноптилолит, для которого характерным является высокое соотношение Si/Al. В наших исследованиях содержание атомов кремния и алюминия составляет 20:1. При температуре 800°С клиноптилолит полностью разрушается, образуя аморфный диоксид кремния в высокодисперсном состоянии, который активно вступает во взаимодействие с оксидом кальция при сравнительно низких температурах обжига. Это обстоятельство позволяет считать цеолитсодержащую породу весьма эффективной добавкой, которая позволит снизить энергоемкость керамического производства.
4. Определенная доля аморфного кремнезема после разрушения минерала клиноптилолит с повышением температуры обжига кристаллизуется в кристобалит.
5. Содержание гидрослюдистого минерала мусковит при температурах свыше 700°С сокращается, а при 1100°С он полностью разрушается, в системе остаются только устойчивые минеральные фазы.
6. С подъемом температуры обжига до 1100°С содержание рентгеноаморфной фазы увеличивается незначительно (с 26 до 32%).
Электронно-микроскопические исследования цеолитсодержащей породы Татарско-Шатрашанского месторождения выявили, что цеолиты в породе представлены чрезвычайно высокодисперсными образованиями (рис.2).
Рис. 2 - РЭМ изображение цеолитсодержащей породы Татарско-Шатрашанского
месторождения
Известно [5], что характеристики керамических материалов в значительной степени зависят от наличия в их составе различных силикатов кальция. Нами было предложено использовать добавку цеолитсодержащей породы для модификации глин Сахаровского и Алексеевского месторождений с целью получения полнотелого кирпича с улучшенными характеристиками. Методом компрессионного формования (20МПа) были подготовлены образцы из глины Сахаровского месторождения с добавлением различного количества
цеолитсодержащей породы. Образцы были обожжены при различных температурах с выдержкой при максимальной температуре в течение 4 часов.
Таблица 3 - Характеристики образцов из глины Сахаровского месторождения,
модифицированной цеолитсодержащей породой. Тобж = 900°С
Содержание модификатора, в % 2 5 10 15
Плотность, в г/см3 1,82 1,82 1,79 1,77
Водопоглощение, в % 15,0 15,3 16,0 16,8
Огневая усадка, в % -0,6 -0,6 -0,6 -0,4
Таблица 4 - Характеристики образцов из глины Сахаровского месторождения,
модифицированной цеолитсодержащей породой. Тобж = 1000°С
Содержание модификатора, в % 2 5 10 15
Плотность, в г/см3 1,83 1,79 1,77 1,74
Водопоглощение, в % 15,3 16,5 16,6 17,3
Огневая усадка, в % -0,8 -0,8 -0,8 -0,6
Таблица 5 - Характеристики образцов из глины Сахаровского месторождения,
модифицированной цеолитсодержащей породой. Тобж = 1050°С
Содержание модификатора, в % 2 5 10 15
Плотность, в г/см3 1,81 1,80 1,78 1,77
Водопоглощение, в % 15,7 16,2 17,0 17,7
Огневая усадка, в % -0,8 -0,8 -0,6 -0,6
При всех температурах обжига плотность образцов с увеличением доли модификатора снижается, а водопоглощение растет. В данном интервале температур образцы демонстрируют незначительную отрицательную огневую усадку, что исключает возникновение высоких внутренних напряжений. Прочность всех исследованных образцов превышает 20МПа, изменяя количество модификатора и температуру обжига, мы получаем возможность производства кирпича с заданными характеристиками.
Заключение
Нами экспериментально установлено, что при использовании и других глин добавки в шихту цеолитсодержащих и кремнистых пород (диатомит, трепел) улучшают технологические характеристики шихты, в частности снижают чувствительность шихты к сушке, а также снижают огневую усадку керамических образцов. Это позволяет снизить риски трещинообразования в керамических образцах.
Таким образом, применение в качестве модификатора цеолитсодержащих предоставляет возможность производить энергоэффективные керамические материалы. Использование кремнистых и цеолитсодержащих пород можно считать целесообразным, а учитывая их незначительное количество в керамической массе и экономически целесообразным.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Субсидии по постановлению Правительства РФ №218 (договор № 02.G25.31.0121, 2014 г.).
Литература
1. М.Г. Габидуллин, Дисс. докт. техн. наук, казанский ин-т строительных материалов, Казань, 2007. 295 с.
2. У.Г. Дистанов, Кремнистые породы СССР. Татарское книжное издательство, Казань, 1976. 412с.
3. У.Г. Дистанов, Минеральное сырье. Опал-кристобалитовые породы. Справочник. ЗАО «Геоинформмарк», Москва, 1998, С.27.
4. П.Г Черемский, В.В. Слезнев, В.И. Бетехтин. Поры в твердом теле. Энергоатомиздат Москва, 1990, 390 с.
5. Салахов А.М., Кабиров Р.Р., Фасеева Г.Р., В.П. Морозо Н.В. Болтакова, Р.А.Салахова. Вестник Казанского технологического университета, 17, 48-50.
© А. М. Салахов - канд. техн. наук, доцент кафедры физики твердого тела КФУ; Р. Р. Кабиров - ген. директор ОАО «Алексеевская керамика»; Г. Р. Фасеева - ст. препод. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, galiya_@mail.ru; В. П. Морозов - д-р г.-м. наук, зав. каф.й минералогии и литологии КФУ; Р. А. Салахова - канд. техн. наук, старший научный сотрудник ЗАО «ВНИИСТРОМ им. П.П.Будникова».
© A. M. Salahov, Cand. tehn. Associate Professor, Department of Solid State Physics, Kazan Federal University; R. R. Kabirov, General Director of JSC "Alekseevskaya ceramics"; R. G. Faseeva, a senior lecturer in technology of inorganic substances and materials, Kazan Scientific Research Technological University, galiya_@mail.ru; V. R Morozov, Dr. H.-M. Sciences, Head. Department of Mineralogy and Lithology Kazan Federal University; R. A. Salakhova, Cand. tehn. Sciences, Senior Researcher of CJSC "VNIISTROM them. P.P.Budnikova".
