CC BY
13УДК 666.3.022
Н.Г. ГУРОВ, генеральный директор, А.А. НАУМОВ, начальник научно-исследовательской лаборатории, ЗАО «ЮжНИИстром»; Н.Н. ИВАНОВ, канд. геогр. наук, Южный федеральный университет (Ростов-на-Дону)
Подготовка керамической массы на основе
закарбоначенного
лессовидного суглинка
В связи с возросшими требованиями к качеству керамического кирпича и конкуренцией на рынке строительных материалов повышение физико-механических и декоративных свойств кирпича является наиболее актуальной задачей.
Известно, что глинистое сырье, обладающее хорошими керамическими свойствами, позволяющими использовать наиболее распространенные технологии при подготовке глиномассы, истощается, а новые месторождения в основном пригодны для производства рядового кирпича или требуют индивидуального подхода и новых технологических приемов для улучшения качества керамической массы. Так, лессовидное малопластичное закарбоначенное сырье Самойловского месторождения было разведано и исследовано на пригодность для производства рядового кирпича по технологии пластического формования в 1972 г., при этом была установлена возможность производства кирпича марки 100 при температуре обжига 1000оС.
Дальнейшие многочисленные испытания сырья в лабораторных и заводских условиях, проведенные ранее различными организациями при использовании традиционных технологий пластического формования, также показали пригодность данного сырья только для производства рядового кирпича, причем с дополнительной операцией — замачиванием обожженных изделий в воде для устранения отколов от карбонатных включений.
Но заниматься в этом регионе дальнейшим наращиванием мощностей по производству рядового строительного кирпича малоперспективно. Кроме того, на
з
>
110
100
90
80
18
70
о
CP 1=
14
0,025 1,25
Максимальный размер частиц, мм
2,25
Рис. 1. Влияние тонкости помола на чувствительность к сушке и прочность обожженных образцов: 1 - чувствительность к сушке, с; 2 - прочность при сжатии, МПа
рынке есть востребованность лицевого полнотелого керамического кирпича и не только красного, но и светлых тонов.
После рассмотрения ряда предложений руководство ООО «Мелеузовский кирпичный завод» заказало институту «ЮжНИИстром» исследовательские и проектные работы с целью создания на своем заводе современного производства. При активном участии технологической службы предприятия научно-исследовательским отделом института были проведены работы по усовершенствованию технологии производства с целью получения полнотелого лицевого кирпича [1, 2].
При исследованиях глинистого сырья руководствовались комплексной оценкой состава, структуры и свойств, для чего были применены современные методы исследований. Это дало углубленную информацию о его свойствах.
Установлено, глинистое сырье Самойловского месторождения характеризуется пелитовой структурой, минеральный состав которой представлен в основном тонкодисперсным кварцем, кальцитом, гидроксидами железа; глинистая фракция относится к типу гидрослюдистых с незначительным содержанием монтмориллонита. Песчано-алевритовая фракция представлена кварцем, гидроксидами железа, известняком, доломитом и полевым шпатом.
Сырье содержит значительное количество средне- и малоактивных карбонатных включений размером до 15 мм. Качественная характеристика сырья, используемого при проведении работ, приведена в табл. 1—3.
110
з
>
100
90
80
70
2
1 1 1 1
10 20 30 40 Содержание юмагузинской глины, %
50
Рис. 2. Зависимость сушильных свойств от состава глиномасс: 1 - при введении юмагузинской глины; 2 - при добавлении 10% обогащенного каолина
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
42 июль 2010 ШГ^ШЫ *
Таблица 1
Наименование сырья БЮ2 А12О3 Fe2Oз СаО МдО БО3 ТЮ2 СО2 Ыа2О К2О Сорг ППП бЮ2 несвяз.
Самойловское 55,1 8,9 5,76 8,77 5,75 0,04 0,53 5,28 2,25 1,87 0,1 10,49 17,92
Юмагузинское 59,76 14,31 6,45 6,02 3 0,06 0,72 - 1,15 0,95 - 7,38 27,6
Каолин домбаровский необогащенный 67,59 20,06 0,67 1,69 0,48 0,18 0,55 0,1 0,39 0,19 0,1 8,2 40,2
Металлургический шлак 36,59 12,12 1,4 38,57 7,91 2,2 0,8 - - - - - -
Таблица 2
Наименование глинистого сырья Число пластичности Содержание крупнозернистых включений Содержание фракций, %
Песчаная Пылеватая Глинистая
Самойловское 6,9 8,5 20,11 51 28,89
Юмагузинское 14,6 0,3 1,7 44,14 54,16
Таблица 3
Наименование глинистого сырья Формовочная влажность, % Чувствительность к сушке, с Воздушная усадка Предел прочности сухих образцов-балочек при изгибе, МПа Огнеупорность, оС Водопоглощение
Самойловское 20,8 102 5 2 1130 19
Юмагузинское 20,4 60 8,75 4,9 1150 13,6
Таблица 4
Наименование сырья Влажность, % Гранулометрический состав, Насыпная плотность в естественном виде, кг/м3 Насыпная плотность после подготовки сырья, кг/м3 Огнеупо рность, оС Примечание
Остатки на ситах, % Размер сит, мм
5 3 2 1 0,5 0,25 <0,25
Необогащенный домбаровский каолин 2,04 2,63 2,3 6,02 17,2 1,56 13,3 59,9 1050 720 - Каолин просеивали сквозь сито № 025
Металлургический шлак 0,5 2,6 6,5 15,6 40,5 17,6 13,4 3,8 1145 1230 1200 Шлак, измельченный менее 100 мкм
Недостатки сырья Самойловского месторождения обусловили поиск и выбор добавок и технологических приемов, экономически целесообразных для использования на предприятии. На стадии переработки они должны устранить вредное влияние карбонатных включений, увеличить связность и гомогенность массы; на стадии формования — снизить формовочную влажность; на стадии сушки — повысить трещиностойкость сырца; а на стадии обжига способствовать росту прочности, улучшению декоративных свойств обожженных изделий и осветлению черепка в объеме.
В процессе проведения экспериментальных работ было установлено, что только при измельчении сырья менее 250 мкм на обожженных образцах отсутствуют отколы от карбонатных включений после пропаривания и выдержки в естественных условиях в течение 3 мес. Но так как данное сырье относится к пылеватым малопластичным суглинкам, что предопределяет невысокую связующую способность сырья, тонкое измельчение карбонатов и других непластичных горных пород, содержащихся в сырье («10—12%), ухудшили связующие свойства глиномассы, что сказалось на формуемости масс и чувствительности их к сушке (рис. 1). Для улуч-
шения формуемости и сушильных свойств в глиномассы добавляли местную монтмориллонито-гидрослю-дистую глину Юмагузинского месторождения и домба-ровский каолин (табл.1; 4). Введение юмагузинской глины способствовало повышению связности глино-массы, но ухудшило ее сушильные свойства, добавка домбаровского каолина позволила повысить трещино-стойкость образцов и температуру их обжига, но оказала отрицательное воздействие на формовочные свойства глиномасс из-за значительного содержания инертных материалов — кварца, полевого шпата, слюды и др. С целью обогащения домбаровского каолина рекомендовано просеивать его сквозь сито 0,25 мм, при этом остаток на сите составил около 30%, а содержание каолина и гидрослюды в сырье увеличилось соответственно до 54 и 14%. Введение наряду с юмагузинской глиной 10% обогащенного каолина способствовало улучшению как формовочных, так и сушильных свойств глиномас-сы (рис. 2), но при этом масса оставалась высокочувствительной к сушке, а дальнейшее увеличение содержания обогащенного каолина является экономически нецелесообразным. В этой связи влагопроводность глиномассы увеличили путем введения 0,5% СаС12 в виде
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы -- - ® июль 2010 43
40
30
20
16
- 15
- 14
- 13
3
о
12
1050 1750 1100
Температура обжига, оС
Рис. 3. Зависимость прочности и водопоглощения образцов из оптимальных масс от температуры обжига и времени выдержки при максимальных темпе ратурах: 1 - прочность при сжатии, МПа; 2 - водопогло-щение, %;---выдержка 2 ч;-----выдержка 3 ч
водного раствора. Этот технологический прием известен давно, но не нашел широкого распространения из-за высокой начальной влажности глинистого сырья и трудности равномерного распределения электролита в массе [3]. В данной технологии при сухой подготовке сырья введение СаС12 вместе с водой затворения не представляет трудности, так как плотность раствора незначительна и составляет 1,01—1,03 г/см3. При этом добавка хлористого кальция позволяет не только улучшить сушильные свойства глиномассы (до 115 с), но и оказывает минерализующее действие на процесс диссоциации карбоната кальция при обжиге.
Установлено, что самойловское глинистое сырье, обожженное при температуре 950—1000оС, содержит высокий процент свободного окисида кальция даже при измельчении карбонатов менее 250 мкм, а при увеличении температуры обжига до 1050оС на образцах наблюдаются признаки пережога. Рентгеновские исследования показали, что при введении минерализующей добавки полная диссоциация карбонатов происходит при температуре 830оС, повышение температуры обжига до 980—1000оС обеспечивает устранение свободной окиси кальция в черепке и способствует развитию реакций в твердой фазе с образованием сложных соединений типа алюмоферритов и алюмосиликатов кальция. Добавление 10% каолина в состав глиномассы позволило увеличить температуру обжига до 1100оС (без признаков пережога черепка), а с повышением температуры обжига проходят реакции образования анортита и геленита, что способствует увеличению прочности образцов; существенное влияние при этом оказывает также увеличение времени выдержки при максимальных температурах (рис. 3).
Полученная информация в результате проведенных исследований позволила определить состав керамической массы для получения черепка красного цвета и технологические параметры подготовки сырья, а также сушки и обжига кирпича. С целью получения более интенсивной и равномерной окраски кирпича разработаны составы растворов для орошения поверхности бруса после формования (рис. 4) [4].
Образцы светло-желтого цвета на основе самойлов-ского сырья получены при добавлении 15—20% тонкодисперсных металлургических шлаков (рис. 5). Кроме изменения цвета введение шлаков интенсифицирует получение стекловидной фазы, что обеспечивает повышение прочности и снижение водопоглощения образцов (рис. 6). Однако наличие тонкодисперсной добавки ухудшило формуемость массы, для повышения сцепления частиц (липкости) необходимо было увеличивать формовочную влажность более 22%, при этом наблюдалась «зыбкость» образцов. С целью повышения прочностных свойств формовочных масс за счет увеличения связующей способности применялись различные ПАВ, наиболее эффективной добавкой для данного вида сырья признан триэтаноламин [5].
При проведении исследований установлено, что для отощенного лессовидного глинистого сырья повышение формовочной влажности способствует улучшению сушильных свойств, по-видимому, за счет лучшего сцепления частиц при сравнительно малом содержании глинообразующего материала (рис. 7)
С увеличением воды затворения до 21% и времени вылеживания шихты повышается также прочность высушенных образцов при изгибе.
Однотонность черепка светло-желтого цвета достигается не только при увеличении выдержки образцов при максимальных температурах обжига, но и при создании восстановительной среды (от максимальной температуры и до 700оС), так как восстановительная среда оказывает влияние на переход окисных соединений в закисные, что обеспечивает более полное завершение реакций силикатообразования, постоянство фазового состава и структуры обожженного материала, улучшает физико-механические и декоративные свойства черепка. Экспериментально установлено, что наиболее стабильные результаты по цвету и физико-механическим свойствам получены при обжиге шлакосодержащей массы при температуре 1020—1060оС.
Необходимо отметить, что бездефектные образцы из всех исследованных керамических масс, изготовленных на основе самойловского глинистого сырья, при обжиге в интервале температуры 950—1100оС и водопоглоще-нии от 19,5 до 12,9% выдержали более 50 циклов объемного замораживания и оттаивания без видимых изменений, что свидетельствует об оптимальной поровой структуре, создающейся при обжиге высококарбонатного лессовидного глинистого сырья. Но увеличение температуры обжига до 1050—1080оС кроме повышения прочности образцов способствует более полному связы-
Рис. 4. Цветовая гамма кирпича после обработки растворами: а - № 8; б - № 101
1000оС 1025оС
Рис. 5. Цвет черепка на основе сырья Самойловского месторождения с добавлением шлаков
1050оС
www.rifsm.ru
научно-технический и производственный журнал р ^ Г Г Iг ! 13
44
июль
2010 Ш^ШИ8
Е=
32
28
24
20
о а 1=
8 -
10
Содержание шлака, %
Рис. 6. Влияние содержания шлака на цвет и прочность обожженного черепка: 1 - прочность при сжатии, МПа; 2 - прочность при изгибе, МПа;-
- при температуре обжига 1050оС;-----при температуре обжига 1000оС
ванию водорастворимых солей, что экспериментально подтверждено при испытании образцов на капиллярный подсос и определении содержания водорастворимых солей в обожженном черепке.
По результатам проведенных исследований и технологических испытаний разработана технология подготовки керамической массы для производства лицевого кирпича пластического формования. Основным технологическим агрегатом для механоактивации глинистого сырья был выбран измельчительно-сушильный агрегат ИСА (разработчик и производитель ООО «Баскей», Новосибирск), который позволяет получить заданный гранулометрический состав сырья и улучшить его технологические свойства [6, 7]. При этом применение данного агрегата экономически более выгодно в сравнении с известными отечественными и зарубежными аналогами. Для перемешивания минеральных добавок с глиняным порошком и гомогенизации массы предусмотрена установка двух глиносмесителей, один из которых является быстроходным, и глинорастирателя. Получение порошка влажностью 6—8% позволит ввести все рекомендуемые водорастворимые добавки и получить керамическую массу с заданной влажностью и реологическими свойствами.
При разработке параметров сушки и обжига были использованы результаты дериватографического, дилатометрического анализов и других видов исследований, позволяющие определить оптимальный тепловлажно-стный режим в процессе сушки и температурную кривую обжига, обеспечивающие получение качественной продукции.
Ключевые слова: лессовидный суглинок, малопластичное сырье, глиномасса, керамический кирпич.
Список литературы
1. Гуров Н.Г.Выбор эффективных технологий при производстве стеновых керамических изделий в современных условиях // Строит. материалы. 2004. № 2. С. 6—7.
2. Гуров Н.Г., Котлярова Л.В., Иванов Н.Н. Производство керамического кирпича светлых тонов из крас-ножгущегося глинистого сырья // Строит. материалы. 2005. № 9. С.58—59.
3. Баскаков С.В. Сушка кирпича. М.: Стройиздат, 1966. 176 с.
4. Гуров Н.Г., Котлярова Л.В., Иванов Н.Н. Расширение сырьевой базы для производства высококачествен-
120
110
100
90
80
2
- X
1 1 1 1
18
19 20 Влажность, %
21
22
Рис. 7. Влияние влажности на сушильные свойства глиномасс: 1 - 15% шлаков; 2 - 20% шлаков
ной стеновой керамики // Строит. материалы. 2007. № 4. С. 62-64.
5. Городнов В.Д. и др. Исследование глин и новые рецептуры глинистых растворов. М.: Недра, 1971. 198 с.
6. Стороженко Г.И. и др. Производство керамического кирпича из активированного суглинистого сырья на заводах средней мощности // Строит. материалы. 2001. № 12. С. 72-73.
7. Тацки Л.Н., Машкина Е.В., Стороженко Г.И. Двух-стадийная активация сырья в технологии стеновой керамики // Строит. материалы. 2007. № 9. С. 11-13.
научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Л] : : ® июль 2010 45
