Керамика c высоким содержанием силикатов кальция Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.3

А.М. САЛАХОВ, канд. техн. наук, Л.Р. ТАГИРОВ, д-р физ.-мат. наук, НПП «Клинкерная керамика КФУ»; В.П. МОРОЗОВ, д-р геол.-мин. наук, Казанский Федеральный Университет; Р.Р. КАБИРОВ, генеральный директор, ОАО «Алексеевская керамика»; Р.А. САЛАХОВА, канд. техн. наук, Волжско-Камский филиал ЗАО «ВНИИСТРОМ им. Петра Петровича Будникова»; Г.Р. ФАСЕЕВА, магистр техники и технологии, Казанский национальный технологический университет (Казань)

Керамика c высоким содержанием силикатов кальция

Изучение образцов средневековой керамики [1], найденных на территории ряда регионов Республики Татарстан, — сосудов XI в., водопроводных труб XIV в., керамического кирпича XVII в. показало, что в минеральном составе изделий значительную долю занимают силикаты кальция. Несмотря на многолетнюю эксплуатацию, материалы прекрасно сохранились до наших дней, при этом твердость некоторых сосудов по шкале Мооса составляет 7. Отметим, что среди кристаллических новообразований в исследуемых образцах муллит не обнаружен. Эти обстоятельства послужили одним из оснований для исследования возможности и целесообразности получения керамики с высоким содержанием силикатов кальция.

В качестве исходного материала для получения керамики на основе силикатов кальция была использована глина Салмановского месторождения Республики Татарстан. Ее химический и минеральный состав приведен в табл. 1, 2.

В течение ряда лет эта глина успешно применяется на заводе ОАО «Алексеевская керамика» в качестве добавки для производства ли-

цевого кирпича. Наличие карбонатов в сырье при соответствующих режимах обжига позволяет производить кирпич широкой цветовой гаммы с хорошими прочностными и теплоизоляционными характеристиками [2].

Рентгенографические исследования образцов из обожженной при температуре 1100оС глины Сал-мановского месторождения свидетельствуют о твердофазном механизме спекания ввиду отсутствия аморфного гало. Расшифровка дифрактограммы позволила идентифицировать следующие минералы (табл. 3).

Электронно-микроскопические исследования (рис. 1) выявили слоистую структуру без признаков оплавления, что подтверждает тезис о твердофазном механизме спекания. Слои состоят из дисков площадью 1—2 мкм2 толщиной в несколько десятков нанометров. Рентгеновские энергодисперсионные спектры различных фрагментов исследуемого образца показывают, что процентное соотношение атомов кремния и кальция одинаковое и составляет 11—12%.

Микроструктура образцов (рис. 2) существенно меняется при добавле-

нии в глину Салмановского месторождения аморфного кремнезема.

Мы полагаем, что изменение структуры связано в первую очередь с изменением соотношения атомов кальция и кремния. На макроскопической площадке в 5 мм2 процентное содержание атомов кальция и кремния соответственно составляет 7,3 и 19,3%. Исходя из различного соотношения атомов кремния и кальция в процессе обжига формируются различные силикаты кальция.

Минеральный состав и микроструктура образцов меняются незначительно при замене в сырьевой смеси аморфного кремнезема на диатомит.

С помощью рентгеновского ди-фрактометра XRD—7000S (Shimadzu) в комплекте с высокотемпературной приставкой было установлено, что при обжиге композиции глины Салмановского месторождения с аморфным кремнеземом новообразования — силикаты кальция начинают формироваться уже при температуре 800°С.

Исследование термических характеристик (рис. 3) прибором синхронного термического анализа STA 449 F3 JUPITER сырьевых компози-

Таблица 1

Химический состав глины Салмановского месторождения (массовая доля компонентов в % на абсолютно сухую навеску)

SiO2 TiO2 AI2O3 Fe2O3 MnO CaO MgO Na2O K2O P2O5 ППП

37,14 0,62 13,42 4,46 0,05 19,86 1,6 0,29 2,1 0,11 20,11

Таблица 2

Минеральный состав глины Салмановского месторождения

Минерал Массовая доля, %

Разбухающий монтмориллонит -гидрослюдистый минерал 33

Гидрослюда 10

Каолинит + хлорит 11

Кальцит 28±4

Кварц 10±2

Арагонит 4±1

Гипс 2±1

Полевые шпаты 2±1

Таблица 3

Расшифровка минералов керамики из глины Салмановского месторождения ^ - межплоскостное расстояние в ангстремах)

d, Á Минерал d, Á Минерал d, Á Минерал

7,748 Волластонит 3,363 Кварц 2,812 Волластонит

5,504 Геленит 3,328 Волластонит 2,743 Геленит

5,102 Геленит 3,254 Волластонит 2,567 Волластонит

4,349 Геленит 3,087 Геленит 2,482 Волластонит

3,86 Волластонит 2,99 Волластонит 2,453 Геленит

3,735 Геленит 2,866 Геленит 2,414 Геленит

3,528 Волластонит

32

научно-технический и производственный журнал

август 2012

jVJ ®

ций глины Салмановского месторождения с аморфным кремнеземом, диатомитом и глиной Алексеевского месторождения показали, что эндотермический пик, соответствующий формированию кристаллических новообразований, во всех трех случаях происходит при температуре 907оС.

Потеря веса и величина эндотермического эффекта возрастают в рассматриваемых сырьевых композициях с увеличением доли глины Салмановского месторождении, содержащей карбонаты.

Подобное поведение образцов при обжиге характерно не только для глины Салмановского месторождения. При модификации аморфным кремнеземом (2%) глины Ключищинского месторождения РТ, содержащей около 10% карбонатов, в процессе обжига тоже формируются силикаты кальция.

Для экспериментов была использована глина Ключищенского месторождения Республики Татарстан, модифицированная трепелом Ново-Айбесиновского месторождения Республики Чувашия, который, как известно [3], отличается повышенным содержанием карбонатов. Электронно-микроскопические исследования трепела (рис. 4) демонстрируют высокую дисперсность упомянутых карбонатов. Карбонаты в процессе обжига диссоциируют вступают во взаимодействие с аморфным кремнеземом, образуя различные силикаты кальция.

Для эксперимента в вакуумном экструдере были сформованы об-

Рис. 1. РЭМ изображение образцов из глины Салмановского месторождения. Обжиг при температуре 1100°С

ТГ, %

Рис. 2. РЭМ изображение образцов из композиции глины Салмановского месторождения с аморфным кремнеземом. Обжиг при 1100°С

Поток газа, мл/мин ДСК, мкВ/мг

100

95

90

85

80

75

0,8

0,6

0,4

0,2

- 250

200

- 150

- 100

50

0

200

400

600

Температура, оС

800

1000

Рис. 3. Диаграммы потери массы, экзо- и эндоэффектов различных композиций при обжиге:

- - глина Салмановского месторождения + аморфный кремнезем; ......... - глина

Салмановского месторождения + диатомит;---- глины Салмановского и Алексеевского

месторождений

Таблица 4

Физико-механические характеристики обожженных образцов

0

Температура обжига, оС / время выдержки, ч Обжиговая усадка, % Прочность при сжатии, МПа Плотность, г/см3

Суглинок Ключищинского месторождения

1000/1 7,8 16,7 1,77

1000/3 7,9 16,8 1,79

1000/6 8 20,5 1,79

1050/1 8,2 21,5 1,8

1050/3 8,5 23,4 1,81

1050/6 8,5 29,9 1,84

Суглинок Ключищинского месторождения+30% ново-айбесиновского трепела

1000/1 7,6 26,5 1,69

1000/3 7,7 31,3 1,69

1000/6 7,9 32,8 1,64

1050/1 8 31,2 1,66

1050/3 8,1 33,8 1,69

1050/6 7,9 37,5 1,7

Г; научно-технический и производственный журнал

август 2012 33

Таблица 5

Расшифровка минералов керамических образцов из глины Ключищинского месторождения

d, Â Минерал d, Â Минерал d, Â Минерал

4,272 Кварц 3,677 Плагиоклаз 2,697 Гематит

4,102 Плагиоклаз 3,353 Кварц 2,519 Гематит

3,776 Плагиоклаз 3,218 Плагиоклаз 2,463 Кварц

Рис. 4. РЭМ изображение трепела Ново-Айбесиновского месторождения

разцы размером 128x29x18 мм. Обжиг производили в муфельной печи, скорость набора температуры составила 2оС/мин, время выдержки при максимальной температуре 1, 3 и 6 ч. Результаты приведены в табл. 4.

Рентгенографические исследования показывают, что при обжиге глины Ключищинского месторождения образуются следующие фазы (табл. 5).

При обжиге композиции глины Ключищинского месторождения с трепелом Ново-Айбесиновского месторождения карбонаты в процессе обжига диссоциируют и вступают во взаимодействие с аморфным кремнеземом, образуя различные силикаты кальция при температуре ниже 950оС.

Таким образом, результаты исследований показали, что керамические стеновые материалы с высоким содержанием силикатов кальция могут быть получены при температуре обжига на 100оС ниже традиционно используемых в технологии строительной керамики, что позволяет снизить энергоемкость производства. Опыт производства таких материалов на заводе ОАО «Алексеевская керамика» доказывает, что керамические материалы с высоким содержанием силикатов кальция имеют такие же высокие физико-технические характеристики, как у керамических материалов с кристаллическими новообразованиями в виде муллита.

Ключевые слова: керамические материалы, силикаты кальция, кристаллические новообразования, прочность, энергоэффективность.

3.

Список литературы

Салахов А.М., Туктарова Г.Р., Морозов В.П. Загадки керамических сфероконусов // Стекло и керамика. 2006. № 7. С. 25-28.

Салахов А.М., Кабиров Р.Р., Салахова Р.А., Нефедьев Е.С., Ильичева О.М. ОАО «Алексеевская керамика» на инновационном пути создания высокотехнологического производства // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 16-19. Ашмарин Т.Д. .Ласточкин В.Г., Илюхин В.В., Минаков А.Г., Татьянчиков А.В. Инновационные технологии высокоэффективных керамических строительных изделий на основе кремнистых пород // Строительные материалы. 2011. № 7. С. 28-30.

1

Protectosir WS 808

Protectosîr

водоотта л кивающие защитные свойства для керамических изделий. Глубокое проникновение. Длительный эффект.

(HHJ ' J нX it LA tin"

ул li4iiM4un Bin SdA.i& Lip J

1 [» P DI it M \'< - U

ftKtjHH

pmteLtaiil a e.'-jnik.[ uni «iwiw.proierlesil.feni

Evonik. Power to create.

EVOniK

INDUSTRIE!

Реклама

научно-технический и производственный журнал ф/рЦУГ/^^Ц^^ 34 август 2012 М *