CC BY
139
С. В. Морозова, Е. Н. Пермяков, А. В. Корнилов,
А. А. Шинкарев
КЛИНКЕРНЫЙ КИРПИЧ НА ОСНОВЕ ЛЕГКОПЛАВКИХ
ПОЛИМИНЕРАЛЬНЫХ И ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩИХ ГЛИН
Ключевые слова: керамика, глина. clay, ceramics
Проведена качественная оценка легкоплавкого глинистого и цеолитсодержащего сырья. Из исследуемого сырья получены образцы клинкерной керамики, удовлетворяющие требованиям отечественной и европейской нормативно-технической документации.
Quality standard fusible clay and containing zeolite of raw materials is spent.
Their chemical and mineral structure is defined. From investigated raw materials samples клинкерной the ceramics, meeting requirements of the domestic and European specifications and technical documentation are received.
В последнее время возрастает потребность различных отраслей промышленности в строительных материалах специального назначения. К их числу относится клинкерный кирпич, который применяется для мощения дорог, тротуаров, облицовки зданий. Он обладает необычайной износостойкостью, долговечностью и низким водопоглощением.
В Европе облицовочный клинкер пользуется огромным спросом и популярностью уже более трехсот лет. Дефицит качественного сырья - одна из основных причин отсутствия широкомасштабного производства клинкерных материалов в России. Для изготовления клинкерного кирпича требуются высококачественные тугоплавкие глины с широким интервалом спекания, запасы которых весьма ограничены [1].
Целью работы является определение возможности получения клинкерного кирпича из легкоплавких полиминеральных глин, содержащих в качестве технологической добавки цеолитсодержащую глину.
К глинам, используемым для производства клинкерной керамики, предъявляются определенные требования [2]. Глина должна спекаться при температуре не выше 12501300 °С, не деформируясь в период спекания, т. е. она должна обладать свойством сильной спекаемости при относительно низкой температуре. Кроме этих основных физических свойств, важную роль играет химический состав глины [3]. Поэтому только совокупность отдельных физико-технических и химических свойств может указать на возможность применения той или иной глины в производстве кирпича-клинкера.
В данной работе исследовались 3 пробы легкоплавких полиминеральных глин - КЛ, ТТ, КГ и 1 проба цеолитсодержащей глины (КУШ), используемой в качестве добавки. Их химический и минеральный составы приведены в таблицах 1 и 2.
На рисунках 1, 2, представлены дифракционные спектры образцов КУШ и ТТ.
Преобладающим минералом в глинистой составляющей образцов представленных на рис. 1Б и 2Б является неупорядоченный смешанослойный слюда-смектитовый минерал с содержанием слюдяных слоев до 25%, также на спектрах образца 2Б регистрируется некоторое содержание хлорита в смеси с каолинитом, слюда (гидрослюда) представлена во всех образцах в незначительном содержании. Цеолит представлен минералом из группы гейландита-клиноптилолита
Шифр
Содержание в % к весу абсолютно сухого вещества
пробы СЧ О 00 СЧ О І— СО о сч < СО о гч 0 ц_ МпО СаО МдО О гч ГО 2 О £ Ю О сч 0. СО о (Л пил Сумма
КЛ 68,73 0,89 13,16 5,60 0,10 1,51 1,64 1,02 2,18 0,08 <0,05 4,90 99,81
ТТ 65,06 0,91 12,63 5,90 0,11 3,03 2,21 1,25 2,29 0,11 <0,05 6,32 99,82
КГ 66,69 0,94 13,16 6,01 0,14 1,96 2,20 1,57 2,08 0,09 <0,05 4,96 99,80
КУШ 64,92 0,70 14,35 5,42 0,03 1,95 1,99 0,47 2,73 0,11 <0,05 7,15 99,82
Таблица 2 - Минеральный состав глин
Шифр пробы Содержание минералов, %
Смешано- слойный Слюда 7А минерал Кварц Полевой шпат Кальцит Цеолит
КЛ 42 4 3 38±6 11±2 следы -
ТТ 42 6 4 33±5 12±2 - -
КГ 45 6 5 33±6 11±2 следы -
Монтмо- риллонит слюда ОКТ кварц полевой шпат кальцит цеолит
КУШ 53±6 4±1 8±2 7±2 3±1 - 25±4
Наиболее важной составляющей сырья при производстве клинкерного кирпича является оксид алюминия (AІ2Oз). Он снижает вязкость расплава, а достаточное его содержание позволяет уменьшить деформацию изделий в процессе обжига. Легкоплавкие кирпичные глины имеют в своем составе недостаточное количество AІ2Оз, его содержание увеличивают путем добавления в шихту каолинитовых глин.
Глины не должны содержать оксид железа (Fe2Oз) более 6-8% (в исследуемых глинах 5,6-6,01%), так как в процессе обжига трехвалентный оксид железа под влиянием восстановительной среды при 1000 °С интенсивно переходит в двухвалентный оксид железа FeO (закись), который быстро вступает в реакцию с кремнеземом, образуя легкоплавкий фаелит (2FeO х SiO2).
Вследствие этого в изделиях вблизи поверхности образуется сплошная корка, препятствующая удалению углекислого газа. Оксиды железа оказывают влияние и на окраску изделий после обжига. В зависимости от соотношения Fe2Oз и FeO изделия окрашиваются от вишнево-красного до темно-фиолетового цвета.
Рис. 1 - Дифракционные спектры образца КУШ (А - дифракционный спектр порошкового препарата, Б - дифракционный спектр ориентированного препарата): 1 - воздушно-сухой образец; 2 - образец насыщенный глицерином. Обозначения: М/Бт -неупорядоченный смешанослойный слюда-смектитовый минерал (воздушно-сухой), М/Бтд - неупорядоченный смешанослойный слюда-смектитовый минерал (насыщенный глицерином), М - слюда, О - кварц, Се - цеолит, Ре - полевые шпаты
Рис. 2 - Дифракционные спектры образца ТТ (А - дифракционный спектр порошкового препарата, Б - дифракционный спектр ориентированного препарата): 1 - воздушно-сухой образец; 2 - образец насыщенный глицерином. Обозначения: М/Бт -неупорядоченный смешанослойный слюда-смектитовый минерал (воздушно-сухой), М/Бтд - неупорядоченный смешанослойный слюда-смектитовый минерал (насыще-ный глицерином), М- слюда, О - кварц, Ре - полевые шпаты, Са - кальцит, СІ - хлорит, К - каолинит
Глины содержат оксид кальция от 1,51 до 3,03 %, что соответствует установленному пределу (не более 7-8%). Повышенное содержание CaO в глине обусловливает уменьшение интервала спекания. Углекислый газ, образующийся при разложении СаСОз, может увеличить пористость изделия. Недопустимо наличие крупных включений карбонатов, поскольку образующиеся при обжиге свободные оксиды кальция могут вызвать изменение объема, растрескивание и даже разрушение изделий при взаимодействии с атмосферной влагой. При повышенном содержании CaO в глине в начале процесса спекания могут происходить медленная усадка или расширение, а затем вследствие образования жидкой фазы - резкое плавление и деформация изделий, в особенности под нагрузкой на спекшейся поверхности образуются вздутия.
Оксида магния (MgO) в глинах содержится 1,64-2,21% (норма 3-4%).
Для оценки качества глиняного сырья используется кремнеземистый модуль. Хорошие глины для производства клинкера характеризуются кремнеземистым модулем 3-4,5. Кремнеземистый модуль рассматриваемых глин: КЛ -3,97; ТТ -3,51; КГ-3,49.
По минеральному составу преимущество имеют глины с полиминеральным составом, то есть содержащие различные глинистые компоненты, которые обладают различной дисперсностью и огнеупорностью. Трудности могут возникать при повышенном (более 10%) содержании гидрослюды. В этом случае уменьшается интервал спекания и наступает быстрая деформация при максимальной температуре обжига. У рассматриваемых глин количество слюды в пределах нормы (4-6%).
Исследуемые глины по пластичности относятся к группе среднепластичного и умереннопластичного сырья; по содержанию тонкодисперсных фракций- к группе низкодисперсного сырья; являются высокочувствительными, сильноспекающимися и легкоплавкими.
В таблице 3 представлены результаты физико-механических характеристик керамических образцов изготовленных методом пластического формования.
Введение цеолитсодержащей глины в легкоплавкую полиминеральную глину КЛ повышает прочность к изгибу до 30 %, к сжатию до 48% . Ее добавка в количестве 10 % в пробу ТТ приводит к увеличению прочности к изгибу на 45,3%. При этом прочность к сжатию снижается на 25,4 %, но ее абсолютное значение остается достаточно высоким. Также увеличиваются прочностные характеристики при добавке цеолитсодержащей глины в пробу КГ (прочность к сжатию на 6,2-33,8 %, к изгибу на 33,5-48,8 %).
Все полученные образцы удовлетворяют требованиям ТУ 5741-001-34854050-08 по прочности, водопоглощению и средней плотности [5]. Образцы 70% КЛ+30 % КУШ, 90% ТТ+ 10 % КУШ, 70% КГ+ 30 % КУШ по значению прочности на изгиб соответствует требованиям европейского стандарта DIN EN 1344. Такой клинкерный кирпич может использоваться при мощении дорог и тротуаров.
Таким образом, из двухкомпонентной сырьевой смеси, состоящей из легкоплавких полиминеральных и цеолитсодержащей глин возможно получение клинкерного кирпича, удовлетворяющего по своим характеристикам требованиям отечественной и европейской нормативно-технической документации.
Состав шихты Темпе- ратура обжига, оС Водопо- глощение, % Средняя плот- ность, г/см3 Пористость от-крытая, % Воздуш ная усадка, % Об- щая усад- ка, % Проч- ность на из- гиб, МПа Проч- ность на сжа- тие, МПа
КЛ 100 % 1100 4,3 2,0 9,2 9,5 14,5 20,6 102,5
90%КЛ+ 10%КУШ 1100 3,9 2,1 5,1 9,5 14,5 24,0 152,0
80%КЛ+ 20%КУШ 1150 1,2 2,2 2,7 11,5 17,0 21,3 150,0
70% КЛ+ 30 % КУШ 1100 1,1 2,3 2,5 12,0 19,0 29,2 103,0
ТТ 100 % 1100 1,9 2,4 4,5 11,0 16,0 29,0 154,2
90% ТТ+ 10 % КУШ 1150 0,65 2,4 1,5 11,0 15,5 53,0 115,0
80% ТТ+ 20 % КУШ 1100 0,7 2,3 1,6 10,0 16,0 20,3 157,8
70% ТТ+ 30 % КУШ 1100 0,7 2,3 1,8 11,0 18,0 20,2 148,0
КГ 100 % 1100 7,0 2,2 9,5 9,0 13,5 17,5 99,3
90%КГ+ 10%КУШ 1100 1,2 2,2 2,8 11,5 18,0 26,3 150,0
80%КГ+ 20%КУШ 1100 0,8 2,2 1,9 11,0 19,5 28,8 132,1
70% КГ+ 30 % КУШ 1100 1,0 2,3 2,4 10,0 17,5 34,2 105,8
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агенства по науке и инновациям, государственный контракт 02.740.11.0130.
Литература
1. Мустафин, Н.Р. Клинкерный кирпич из легкоплавких глинистых пород и техногенных отходов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Н.Р. Мустафин. - Красково, 2006. С. 1-2.
2. Нимер, Э.У. Керамические плитки и плиты в строительстве /Э.У. Нимер.- М.: Стройиздат, 1986. - 192 с.
3. Крейтер, В.М. Поиски и разведки полезных ископаемых / В.М. Крейтер. - М.: Госуд. изд-во геологической лит-ры, 1940. - 784 с
4. Кройчук, Л.А. Новый европейский стандарт на клинкерный дорожный кирпич / Л.А. Кройчук // Строительные материалы. - 2003. - №9. - С. 42-43.
5. ТУ 5741-001-34854050-08. Кирпич клинкерный. - Введ. 2008-06-01. - М.: ФГУП СТАНДАР-ТИНФОРМ, 2008. - 12 с.
© С. В. Морозова - инж. второй кат. от-ла технол. испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», root@geolnerud.net; Е. Н. Пермяков - канд. техн. наук, зам. зав. отделом технол. испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд»; А. В. Корнилов - д-р техн. наук, зав. отделом технол. испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд»; А. А. Шинкарев - мл. науч. сотр. от-ла аналит. испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд».
