УДК 666.291.3
ОСОБЕННОСТИ ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ КАК СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ
Столбоушкин А.Ю., Фомина О.А., Акст Д.В., Захарченко Л.Е.
Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк
FEATURES OF THE CLAY RAW MATERIALS OF THE WESTERN SIBERIA AS THE RAW MATERIAL BASE OF BUILDING CERAMICS
StolboushkinA.Yu., Fomina O.A., AkstD.V., ZakharchenkoL.E.
Siberian State Industrial University, Novokuznetsk
Приведены результаты исследования химического, гранулометрического и минерального составов пяти месторождений глинистого сырья Западной Сибири. Дано описание основных кера-мико-технологических свойств и характеристик сырья. Представлены результаты исследования физико-химических свойств глинистого сырья по данным рентгенофлуоресцентного, волнодис-персионного и прямых микроскопических методов анализа. Установлено, что суглинки имеют схожий химический состав, относятся преимущественно к полукислому и кислому сырью с высоким содержанием красящих оксидов. По минеральному составу глинистое сырье относится к полиминеральным породам с глинистыми минералами преимущественно гидрослюдисто-као-линитового и монтмориллонит-гидрослюдистого типа. Установлено, что исследуемое глинистое сырье является низкодисперсным, умереннопластичным, высокочувствительными к сушке. По термическим характеристикам относятся к легкоплавкому, неспекающемуся сырью низкотемпературного спекания. Выявлены перспективы использования исследованных суглинков в технологии строительной керамики компрессионного формования.
Ключевые слова: глинистое сырье, химический, гранулометрический, минеральный состав, технологические свойства.
The study results of the chemical, granulometric and mineral composition of five deposits of clay from Western Siberia are presented. The description of main ceramic-technological properties and characteristics of raw materials is shown. The results of the research of physical and chemical properties of the clay raw materials according to a X-ray fluorescence, wave dispersive and direct microscope analysis methods are represented. It was established that the clay loams have similar chemical composition, are predominantly related to semi-acidic and acidic raw materials with a high content of coloring oxides. By mineral composition, clay raw materials relate to polymineral rock formations with clay minerals of hydromica-caolinite and montmorillonite-hydromica type. It was established that research clay raw materials are low-dispersive, moderately plastic, highly sensitive to drying. By thermal characteristics, are related to fusible and noncaking raw materials of low temperature caking. The prospects of using the studied clay raw materials in the technology of building ceramics and in particular ceramic bricks are revealed.
Keywords: clay raw materials, chemical, granulometric and mineral composition, technological properties.
Введение. Глинистые породы Сибири в целом достаточно глубоко исследованы [13], однако их особенности в контексте использования в современных технологиях качественной строительной керамики изучены недостаточно. Разведанные промышленные запасы кондиционного пластичного
глинистого сырья в результате многолетней работы кирпичных заводов постоянно уменьшаются. Поэтому в Западной Сибири на фоне повсеместного распространения глинистых пород часто возникают проблемы получения высокомарочного кирпича по технологии пластического формования [4].
Качество сырья зависит от содержания в нем глинистых частиц, в производстве строительной керамики используются легкоплавкие глины и суглинки при содержании глинистых минералов в количестве не менее 12-15 %. Сырье также должно быть средне-и умереннопластичным, иметь высокую связующую способность и быть средне- и малочуствительным к сушке. Для развития производства строительной керамики актуальным является вовлечение в производство низкосортных местных глинистых пород Западной Сибири. Их анализ осуществлялся в сравнении с ранее изученными месторождениями на территории Сибирского федерального округа [5, 6].
Цель настоящей работы заключалась в комплексном исследовании физико-химических и технологических свойств глинистых пород пяти месторождений Западной Сибири.
Методы исследования. В работе использовались как стандартные методы исследований сырьевых материалов, так и прецизионные методы анализа структуры и свойств сырья. Дисперсность частиц исходного сырья определялась пипеточным (ГОСТ 21216.2-93), ситовым методами анализа и методом дифракции лазерного излучения
суспензий (лазерный анализатор Mastersiser 2000). Определение минерального состава глинистых пород осуществлялось комплексом методов, включая рентгеновскую дифрактометрию (дифрактометр Shimadzu XRD-6000), дериватографию (синхронный термический анализатор Setaram LabSys Evo) и электронную микроскопию (микроскоп JEOL, JSM-6460LV с микроанализатором Oxford INCA Energy). Химический состав глинистых пород определялся валовым и рациональным химическими анализами, а также методом рентгенофлуоресцентного волнодисперсионного анализа (спектрометр Shimadzu XRF-1800).
Технологические свойства сырья определялись согласно ГОСТ 21216-93 «Сырье глинистое. Методы исследований» и «Методическим указаниям на проведение испытаний глинистого сырья для производства кирпича, пустотелых камней и дренажных труб» ВНИИстрома. При исследовании пластических свойств сырьевых материалов параллельно с ГОСТ использовался европейский стандарт определения пластичности по Пфефферкорну. Классификация сырья проводилась по ГОСТ 9169-75 «Сырье глинистое для керамической промышленности» [7-9].
Исследования проводились в сертифицированных лабораториях ОАО «Западно-Сибирский испытательный центр» (г. Новокузнецк), центра коллективного пользования «Материаловедение» и кафедры строительных технологий и материалов ФГБОУ ВО «Сибирский государственный индустриальный университет», а также в лабораториях структурных методов анализа Института катализа и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск).
Объекты исследования. В работе проводились исследования глинистых пород следующих месторождений Западной Сибири: 1 - Новокузнецкое; 2 - Мундыбашское; 3 -Таблица 1 - Макроскопич
Анжерское (Кемеровская область); 4 - Берд-ское (Новосибирская область); 5 - Таскаев-ское (Алтайский край).
Экспериментальная часть. При описании результатов исследования глинистых пород в табличной форме наименование месторождений соответствует вышеуказанной нумерации.
Макроскопическая характеристика глинистого сырья представлена в табл. 1.
Содержание природных крупнозернистых включений в исследуемых глинистых породах с классификацией по ГОСТ 916975 «Сырье глинистое для керамической промышленности» представлено в таблице 2. кая характеристика сырья
Месторождение Макроскопическая характеристика сырья Взаимодействие с 10 % раствором HCl
Новокузнецкое Порода серо-желтого цвета Бурно вскипает
Мундыбашское Порода желто-бурого цвета Не вскипает
Анжерское Порода палево-бурого цвета Бурно вскипает
Бердское Порода светло-коричневого цвета Бурно вскипает
Таскаевское Порода желто-серого цвета Бурно вскипает
Таблица 2 - Засоренность природными крупнозернистыми включениями
Месторождение Полный остаток на сите № Частные остатки в % на ситах с размером отверстий, мм Классификация по ГОСТ 9169-75
5,0 3,0 2,0 1,0 0,5
Новокузнецкое 0,64 0,12 0,05 0,21 0,04 0,22 Низкое содержание
Мундыбашское 0,36 0,07 0,07 0,11 0,05 0,061
Анжерское 0,48 0,08 0,03 0,12 0,24 0,01
Бердское 0,57 0,09 0,04 0,16 0,14 0,14
Таскаевское 0,2 - - - 0,1 0,1
Характеристика остатка на сите № 050: ладают кварцевые включения, встречаются - Новокузнецкое месторождение - преоб- зерна гипса и железистые включения, облом-
Таблица 4 - Содержание тонкодисперсных фракций в сырье
ки пород; - Таскаевское месторождение - преоблада-
- Мундыбашское месторождение - преоб- ют известковые раковины.
ладают полурыхлые песчаники на глинистом Запесоченность глинистого сырья опреде-
цементе; лялась по ГОСТ 21216.12-93 путем отмывки
- Анжерское месторождение - преоблада- навески в 100 г на сите № 0063 с последую-ют карбонатные журавчики, древесные остат- щим рассевом сухого остатка на ситах с разки, уголь; мером отверстий 0,5; 0,2; 0,09; 0,063 мм. Ре- Бердское месторождение - обломки по- зультаты приведены в таблице 3. Содержание
род, карбонатные журавчики; тонкодисперсных фракций в таблице 4.
Таблица 3 - Запесоченность глинистого сырья
Месторождение Полный остаток на сите № 0063, % Частные остатки в % на ситах с размером отверстий, мм
0,315 0,16 0,1 0,063 <0,063
Новокузнецкое 7,84 1,04 3,27 2,89 0,64 92,16
Мундыбашское 5,58 0,8 2,41 2,11 0,26 94,42
Анжерское 6,20 0,6 1,6 2,5 1,5 93,8
Бердское 12,22 0,56 2,11 3,54 6,01 87,78
Таскаевское 3,70 - 0,1 0,8 2,8 96,3
Месторождение Содержание фракций в %,размер частиц в мм Частные остатки в % на ситах с размером отверстий, мм Классификация по ГОСТ 9169-75
>0,06 0,060,01 0,010,005 0,0050,001 <0,001
Новокузнецкое - 2,6 62,15 4,18 28,17 0,22 Низкодисперсные
Мундыбашское 0,97 35,8 14,1 22,6 26,5 0,061
Анжерское 1,2 46,1 11,3 22,0 19,4 0,01
Бердское 2,60 68,53 4,18 3,19 21,5 0,14
Таскаевское 1,1 37,8 20,6 21,7 18,8 0,1
Крупнозернистых частиц (>0,5 мм) в пыле-ватых суглинках (рис. 1) практически нет (табл.
2), песчаных частиц чрезвычайно мало (табл.
3), что позволяет отнести исследуемые породы к алевритам.
По содержанию глинистой фракции их можно отнести к низкодисперсному сырью, ко-
торое в соответствии с классификацией фирмы «Униморандо» малопригодно для производства керамического кирпича без существенной корректировки дисперсного состава (рис. 2-4).
Химический состав технологических проб по результатам силикатного анализа представлен в табл. 5, 6.
Рис. 1. Диаграмма классификации глинистых пород по грансоставу
Рис. 2. Диаграмма Винклера: глины, пригодные для производства: а - полнотелого кирпича; б - пустотелого кирпича; в - черепицы; г - дренажных труб
Рис. 3. Диаграмма фирмы «Униморандо»: глины, пригодные для производства: а - полно телого кирпича; б - пустотелого кирпича; в - черепицы; г - дренажных труб и тонкостен ных изделий
Рис. 4. Диаграмма для полнотелого кирпича: область при сроках сушки: а - от 60 до 72 часов; б - до 60 часов
Таблица 5 - Химический состав сырья в пересчете на сухое вещество
Месторождение Содержание оксидов в %
810, Т102 А1,°з РеА ппп М§0 Са° И20 80,
Новокузнецкое 62,85 0,85 14,17 4,91 5,4 2,38 4,44 3,8 0,45
Мундыбашское 65,3 0.93 14,23 6,1 6,2 1,76 1,38 3,38 0,32
Анжерское 59,07 0,76 12,79 6,03 11,42 - 7,16 2,92 0,07
Бердское 60,5 0,86 13,3 5,35 8,63 1,62 5,18 3,60 -
Таскаевское 65,89 0,72 11,68 4,59 6,03 1,8 5,61 3,67 0,19
Примечание: йЮ2 св. в глинистых породах указанных месторождений составляет соответственно 32,6; 34,2; 26,8; 26,8 и 39 %
На рис. 5 указано расположение глинистого сырья пяти месторождений на диаграмме промышленного назначения глин в зависимости от Таблица 6 - Химический состав сырья
их химического состава, что позволяет классифицировать суглинки как пригодные для производства керамического кирпича. в пересчете на прокаленное вещество
Месторождение Соде ржание оксидов в %
SiO2 ТО, MgO CaO ^ SO3
Новокузнецкое 62,85 0,85 14,17 4,91 2,38 4,44 3,8 0,45
Мундыбашское 65,3 0.93 14,23 6,1 1,76 1,38 3,38 0,32
Анжерское 59,07 0,76 12,79 6,03 - 7,16 2,92 0,07
Бердское 60,5 0,86 13,3 5,35 1,62 5,18 3,60 -
Таскаевское 65,89 0,72 11,68 4,59 1,8 5,61 3,67 0,19
В соответствии с ГОСТ 9169-71 в зависимости от содержания А1203 в прокаленном состоянии глинистое сырье Новокузнецкого и Мундыбашского месторождений относится к полукислой группе, а Бердское, Таскаевское и Анжерское - к кислой. В зависимости от содержания красящих оксидов (ТЮ2 +Fe2Oз) в прокаленном состоянии все породы классифицируются как глинистое сырье с высоким их содержанием. Во всех видах глинистого сырья имеет место высокое содержание свободного кварца (26,8-39 %).
Минеральный состав глинистых пород представлен в табл. 7.
По минеральному составу глинистое сырье относится к полиминеральной группе. По классификации ГОСТ 9169-75 сырье относится к гидрослюдистым и полиминеральным породам гидрослюдисто-каолинитового и монтмориллонит-гидрослюдистого типа Другими
А1203 (моль) 8ю2 (моль)
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
V г - \
в \
ч /СА^
( 6
б IV у е ) *1,3,4/ а \
ж 5
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 (Са0+Мд0+ЯеД+А/а20+К20+7702) моль
Рис. 5. Расположение исследуемого глинистого сырья на диаграмме промышленного назначения глин в зависимости от их химического состава: глины, пригодные для производства:
а - кирпича; б - черепицы; в - плиток для пола, канализационных труб, кислотоупорных изделий и каменного товара; г - огнеупорных шамотных изделий; д - гончарных и терракотовых изделий; е - керамзита; ж - мостового клинкера
породообразующими минералами являются кварц, карбонаты, полевые шпаты, каолинит, хлорит, амфиболы.
Электронная микроскопия позволила установить, что за исключением новокузнецкого суглинка основным минеральным фоном гли-
нистых фракций исследованных пород явля- суглинке чаще всего встречается ассоциация ются гидрослюды. Далее следуют минералы минералов: монтмориллонит - гидрослюда
группы монтмориллонита и каолинита. Ги- - кварц. Под электронным микроскопом не-
дрослюда проявляется в виде мелких полупро- редко наблюдаются довольно бесформенные,
зрачных чешуек и пластин неправильной фор- однообразные частицы, по внешнему облику
мы. Монтмориллонит идентифицируется по которых трудно определить их минеральную
расплывчатым, неясным очертаниям и доволь- принадлежность. В сырье Анжерского место-
но крупным формам. Каолинит наблюдается в рождения преобладает гидрослюда - каолинит виде шестиугольных форм. В новокузнецком - кварц [10].
Таблица 7 - Минеральный состав глинистых пород
Наименование месторождений Преобладающие минералы Классификация (ГОСТ 9169-75)
глинистые остальные
Новокузнецкое Монтмориллонит, гидромусковит, немного каолинита Кварц, плагиоклаз, хлорит вермикулит, К-шпат, кальцит, амфиболы Монтмориллонит-гидрослюдистые
Мундыбашское Гидромусковит, немного монтмориллонита Кварц, плагиоклаз, хлорит, К-шпат, следы кальцита Гидрослюдистые
Анжерское Гидромусковит, немного каолинита Кварц, полевые шпаты, кальцит, К- шпат, амфибол Гидрослюдисто-као-линитовые
Бердское Гидрослюда, каолинит Кварц, полевой шпат, кальцит, хлорит Гидрослюдисто-као-линитовые
Таскаевское Гидрослюда, немного монтмориллонита Кварц, полевые шпаты, карбонаты,гидроксиды железа и алюминия Гидрослюдистые
Рис. 6. Микрофотографии новокузнецкого суглинка: электронный микроскоп;
увеличение х100 (а), х500 (б)
Технологические свойства сырья. Ре- Пфефферкорну и ГОСТ 5180-84 представ-
зультаты исследования пластичности по лены в табл. 8.
Таблица 8 - Пластичность сырьевых материалов, определенная по ГОСТ 21216.1-81 (числитель) и методом Пфефферкорна (знаменатель)
Месторождение глинистых пород Влажность на границе, % Число пластичности Классификация по ГОСТ 9169-75
текучести раскатывания
Новокузнецкое 32,1 31,6 19,6 18,4 125 13,2 умереннопластичная
Мундыбашское 34,3 33,6 21,2 20,5 131 13,1 умереннопластичная
Анжерское 37,5 36,4 22,1 21,3 154 15,1 среднепластичная
Бердское 29,9 28,7 14,52 14,1 154 14,6 среднепластичная
Таскаевское 26,2 25,9 18,7 19,3 7.5 6.6 малопластичная
Оба метода дали сопоставимые результаты, при этом с увеличением пластичности глинистого сырья метод Пфефферкорна показал незначительное снижение числа пластичности по сравнению с традиционным определением.
При исследовании сушильных свойств Таблица 9 - Чувствительно!
сырья чувствительность к сушке определена по экспресс-методу А.Ф. Чижского, основанному на визуальном фиксировании момента появления трещин в процессе сушки образцов [11]. Результаты исследования сушильных и термических свойств сырьевых материалов представлены в табл. 9, 10. ь к сушке глинистого сырья
Наименование месторождений Коэффициент чувствительности к сушке, сек Классификация
отдельные определения Среднее
Новокузнецкое 75 73 78 75 высокочувствительное
Мундыбашское 60 51 53 53 высокочувствительное
Анжерское 49 53 51 51 высокочувствительное
Бердское 82 88 86 85 высокочувствительное
Таскаевское 82 79 79 80 высокочувствительное
Таблица 10 - Физико-механические свойства образцов пластического формования,
обожженных при температуре 950 °С
Наименование месторождений Средняя плотность, кг/м3 Механическая прочность, МПа Водопогло-щение, % Морозостойкость, цикл
при сжатии при изгибе
Новокузнецкое 1740 15,3 2,36 17,2 15
Мундыбашское 1810 18,8 2,84 13,1 25
Анжерское 1790 12,6 1,61 17,5 15
Бердское 1830 22,6 3,21 12,6 35
Таскаевское 1720 11,2 1,12 17,6 15
Огнеупорность и спекаемость глинистого сырья определялась соответственно по методике ГОСТ 21216.11-81 и ГОСТ 21216.9-81. Исследуемые глинистые породы относятся к неспекающемуся легкоплавкому сырью.
Вывод. Анализ вещественного состава и технологических свойств исследованных глинистых пород показал, что сырье является типичным представителем сибирских лессовидных суглинков. В суглинках отсутствуют крупнозернистые включения, они являются низкодисперсными, высокочувствительными к сушке и имеют полиминеральный состав глинистой составляющей. Несмотря на то, что некоторые виды
Библиографический список
1. Талпа Б.В. Минерально-сырьевая база литифи-цированных глинистых пород Юга России для производства строительной керамики [Текст] / Б.В. Талпа, В.Д. Котляр // Строительные материалы. 2015. № 4. С. 31-33.
2. Вакалова Т.В. Перспективы расширения отечественной сырьевой базы строительной керамики за счет комплексного использования месторождений глинистого сырья [Текст] / Т.В. Вакалова, В.М. Погребенков, И.Б. Ревва // Вестник науки Сибири. 2012. № 1 (2). С. 339-347.
3. Кара-Сал Б.К. Использование глинистых пород Тувы для производства керамических изделий [Текст] / Б.К. Кара-Сал // Строительные материалы. 2003. № 11. С. 43-45.
4. Столбоушкин А.Ю. Перспективное направление развития строительных керамических материалов из низкокачественного сырья [Текст] / А.Ю. Столбоушкин // Строительные материалы. 2018. № 4. С. 24-28.
5. Книгина Г.И. Повышение качества кирпича из сибирских суглинков [Текст] / Г.И. Книгина // Строительные материалы. 1968. № 2. С.12-15.
6. Лёссовые породы СССР. В 2 т. [Текст] / под ред.
сырья можно классифицировать как умеренно и среднепластичные, тем не менее практика работы заводов пластического формования, использующих данные виды пород, показывает, что без существенной корректировки шихты получить качественные изделия невозможно.
Благодарности
Результаты исследования получены в рамках выполнения госзадания Минобрна-уки РФ, шифр проекта № 7.7285.2017/8.9 «Фундаментальные исследования в области строительных керамических композиционных материалов с матричной структурой на основе техногенного и природного сырья».
Е.М. Сергеева, В.С. Быковой, Н.Н. Комиссаровой. М.: Недра, 1986. Т. 2. 276 с.
7. Воробьев Х.С. Методические указания по испытанию глинистого сырья для производства обыкновенного и пустотелого кирпича, пустотелых керамических камней и дренажных труб [Текст] / Х.С. Воробьев; ВНИИстром. М., 1989. 90 с.
8. ГОСТ 9169-75. Сырье глинистое для керамической промышленности. Введ. 01.07.76. М.: Изд-во стандартов, 2001. 6 с.
9. Практикум по технологии керамики [Текст] / под ред. И.Я. Гузмана. М.: Стройматериалы, 2005. 334 с.
10. Столбоушкин А.Ю. Керамические стеновые материалы матричной структуры на основе не-спекающегося малопластичного техногенного и природного сырья: дис. ... д-ра. техн. наук: 05.23.05 / Столбоушкин Андрей Юрьевич. Новосибирск, 2014. 398 с.
11. Чижский А.Ф. Сушка керамических материалов и изделий [Текст] / А.Ф. Чижский. М.: Стройиз-дат, 1971. 176 с.
References
1. Talpa B.V Mineral resources base of lithified clay
rocks of the South of Russia for the production of building ceramics [Text] / B.V. Talpa, VD. Kotlyar // Construction materials. 2015. - № 4. P. 31-33.
2. Vakalova T.V. Prospects for the expansion of the domestic raw material base of construction ceramics due to the complex use of clay deposits [Text] / T.V. Vakalova, VM. Pogrebenkov, I.B. Revva // Bulletin of science of Siberia. 2012. № 1 (2). Pp. 339-347.
3. Kara-Sal B.K. The use of clay rocks of Tuva for the production of ceramic products [Text] / B.K. Kara-Sal // Construction Materials. 2003. № 11. P. 43-45.
4. Stolboushkin A.Yu. A promising direction for the development of building ceramic materials from low-grade raw materials [Text] / A.Yu. Stolboushkin // Construction materials. 2018. № 4. P. 24-28.
5. Knigin G.I. Improving the quality of bricks from Siberian loams [Text] / GI Knigin // Construction materials. 1968. № 2. P.12-15.
6. Loess rocks of the USSR. In 2 t. [Text] / ed. EAT. Sergeeva, V.S. Bykova, N.N. K-Missar. Moscow:
Nedra, 1986. Vol. 2. 276 p.
7. Kh. S. Sparrows Guidelines for the testing of clay raw materials for the production of ordinary and hollow bricks, hollow ceramic stones and drainage pipes [Text] / Kh.S. Sparrows; VNIISTrom. Moscow, 1989. 90 p.
8. GOST 9169-75. Raw clay for the ceramics industry. Enter 07/01/76. Moscow: Standards Publishing House, 2001. 6 p.
9. Workshop on ceramics technology [Text] / ed. AND I. Guzman. Moscow: Building Materials, 2005. 334 p.
10. Stolboushkin A.Yu. Ceramic wall materials of matrix structure based on non-caking, non-plastic, man-made and natural raw materials: dis. ... dr. tech. Sciences: 05.23.05 / Stolboushkin Andrey Yurevich. Novosibirsk, 2014. 398 p.
11. Chizhsky A.F. Drying of ceramic materials and products [Text] / A.F. Chizhsky. Moscow: stroiizdat, 1971. 176 p.
Столбоушкин Андрей Юрьевич, доктор технических наук, профессор, Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк E-mail: stanyr@list.ru.
Фомина Оксана Андреевна, кандидат технических наук, доцент, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк E-mail: soa2@mail.ru.
Акст Данил Викторович, аспирант, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк
E-mail: daniel_axt@mail.ru
Захарченко Людмила Евгеньевна, старший преподаватель, Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк
Stolboushkin Andrey, doctor of technical sciences, Professor, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk E-mail: stanyr@list.ru.
Fomina Oksana, candidate of technical sciences, assistant Professor, Siberian State Industrial University,
Novokuznetsk
E-mail: soa2@mail.ru.
Akst Danil, graduate student, Siberian State Industrial University, Novokuznetsk E-mail: daniel_axt@mail.ru
Zakharchenko Lyudmila Evgenievna, Senior Lecturer, Siberian State Industrial