CC BY
14УДК 666.3
Б.К. КАРА-САЛ, д-р техн. наук, Л.Э. КУУЛАР, инженер ([email protected]), Тывинский государственный университет
Получение облицовочного кирпича на основе низкосортного суглинка и цеолитсодержащего песчаника
В последние годы возрос интерес к керамическим облицовочным изделиям, которые отличаются архитектурной выразительностью и экологической безопасностью, что делает их востребованными отделочными материалами в современном строительстве и позволяет использовать для воплощения смелых дизайнерских решений.
Для Республики Тыва, где из многочисленных видов керамических изделий производится только обыкновенный полнотелый кирпич, организация производства облицовочных керамических материалов является актуальной проблемой, решение которой требует поиска и исследования соответствующего сырья, а также разработки состава шихты с последующим изучением эксплуатационных характеристик получаемой продукции.
В лаборатории строительных материалов Тывинского государственного университета проведена исследовательская работа, направленная на изучение возможности получения керамического облицовочного материала на основе местного сырья.
При производстве плотного черепка керамических изделий в основном используют хорошо спекающиеся глинистые породы на каолинитовой и гидрослюдистой основе с добавлением различных видов природных и техногенных плавней [1].
Ввиду отсутствия местной каолинитовой глины и из-за экономической нецелесообразности разработки удаленных месторождений гидрослюдистых глинистых пород в качестве основного сырья принят бий-хемский суглинок, промышленные запасы которого находятся в 5 км от г. Кызыла. В минералогическом составе наряду с монтмориллонитом (20—22%) присутствуют кварц (41—44%), ортоклаз (10—14%), железистые соединения (5—6%). Химический состав суглинка, представленный в табл. 1, отличается высоким содержанием щелочноземельных оксидов и железистых соединений. Огне-
упорность данной глинистой породы в пределах 1200—1250оС. По гранулометрическому составу бий-хемский суглинок является низкодисперсным: содержание частиц размером менее 5 мкм 18—20%; пылеватые частицы 42—48% и песчаные 32—37%. Из-за низкого содержания частиц, обеспечивающих формуемость массы, при формовании изделий пластическим способом наблюдается разрыв граней и трещины в глиняном брусе, что требует глубокой переработки сырья для полного разрушения первичной структуры породы со значительным разбуханием глинистых минералов при увлажнении, а также введение в состав шихты более пластичной глины. О низком качестве исходного сырья свидетельствует высокое водопоглощение изделий из чистого бий-хемского суглинка, обожженных при 1100оС. Оно составляет 9—10% [2].
Для обеспечения необходимого уровня спекания массы на основе суглинка с высоким содержанием крупнодисперсных частиц, которые обеспечивают основной каркас материала, в состав шихты ввели измельченный цеолитсодержащий песчаник. Месторождение цеолитсодержащей породы находится в 30 км от промышленного центра. Оно разрабатывается дорожниками для применения в дорожных покрытиях.
Цеолитсодержащая порода имеет красно-коричневый цвет, структура мелкокристаллическая, средняя насыпная масса песчаной фракции (до 3 мм) 1540 кг/м3. Механическая прочность при сжатии 28—32 МПа. Анализ химического состава, приведенного в табл. 1, показывает, что наряду с высоким содержанием железистых соединений, щелочно-земельных элементов (СаО и МgО более 6%) в значительном количестве присутствуют щелочные оксиды (К2О и №2О), что очень важно для получения низкотемпературного расплава.
Минеральный состав цеолитсодержащей породы, по данным фазового анализа, представлен клиноптилоли-
Таблица 1
Материал Оксиды, мас. %
SiO2 ТО;, Fe2Oз СаО МдО К2О Na2O ППП
Бий-хемский суглинок 61,08 14,08 0,24 6,71 2,94 2,73 1,03 0,75 10,47
Цеолитсодержащая порода 60,43 11,64 0,40 6,12 5,45 1,92 2,49 1,99 9,56
Таблица 2
Наименование компонентов Доля компонентов, мас. % и код массы
М-1 М-2 М-3
Бий-хемский суглинок 70 60 50
Цеолитсодержащая порода 30 40 50
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал
38 апрель 2010 *
Таблица 3
Массы Температура обжига, оС Средняя плотность, г/см3 Огневая усадка, % Водопоглощение, % Предел прочности при сжатии, МПа
М-1 1000 1,88 1,2 15,8 32,7
1050 1,92 2,6 11,6 40,6
1100 1,94 4,1 9,5 46,4
М-2 1000 1,90 1,8 14,1 36,5
1050 1,93 3,0 10,9 44,4
1100 1,95 4,9 8,4 48,5
М-3 1000 1,93 3,2 10,8 44,7
1050 1,97 6,1 6,2 52,3
1100 1,99 8,3 3,8 58,9
том, кварцем и плагиоклазом. При этом содержание основных компонентов породы составляет: цеолита — 26—32%; кварца — 22—27%; полевого шпата — 38—42%; гидрооксидов железа — 6—7%. Выявленный минеральный состав цеолитсодержащей породы позволяет отнести ее по флюсующему действию в составах керамических масс к плавням I класса — материалам, которые образуют жидкую фазу за счет собственного плавления. Предварительно установлено, что данная цеолитсодер-жащая порода после обжига при 1080оС дает черепок с водопоглощением 0,8—1,2%, что свидетельствует об интенсивном спекании массы на ее основе после 1050оС.
Опытные образцы размерами 60x30x10 мм готовили полусухим прессованием (удельное давление 25 МПа) порошков влажностью 8—9%, составленных из предварительно подготовленных сырьевых материалов. При этом цеолитсодержащую породу измельчали в шаровой мельнице до тонкости помола с остатком на сите № 0063 не более 3%. После сушки образцы обжигали в лабораторной электропечи с изотермической выдержкой 1 ч при различной температуре.
Следует отметить, что тонкоизмельченные частицы цеолитсодержащей породы из-за особенностей структуры, где имеется значительное количество воды, при увлажнении приобретают определенную пластичность за счет разбухания минералов клиноптилолита. Это улучшает формуемость пресс-порошка, увеличивая контакты между пластичными и твердыми частицами, а также снижает силы трения при прессовании [3].
В табл. 2 и 3 приведены шихтовый состав полученных масс и результаты физико-механических испытаний образцов.
Анализ данных табл. 3 показывает, что на основе массы М-1, где содержание добавки 30%, после обжига в указанном интервале температур не получается керамический черепок с водопоглощением менее 8%, удовлетворяющий требования ГОСТа на лицевой кирпич. Только при повышении цеолитсодержащей породы до 40% (состав М-2) наблюдается значительное спекание массы, что вызывает уплотнение черепка с водопогло-щением ближе к требуемой величине (8,48). Тем не менее для выпуска качественного облицовочного материала необходимо дальнейшее повышение концентрации компонента шихты, обеспечивающего активное спекание массы.
Дилатометрическое исследование показало, что образцы из массы, содержащей 50% цеолитсодержащей породы (состав М-3), после 1000оС имеют значительно большую усадку, чем образцы из других масс, что свидетельствует о раннем образовании и накоплении жидкой фазы в данной шихте. В результате после обжига при температуре 1050оС получены образцы с водопоглоще-
нием 6,2%, что соответствует требованиям ГОСТа. При дальнейшем повышении температуры до 1100оС происходит существенное уплотнение черепка, что вызывает значительную объемную усадку до 8,3%.
Дальнейшее увеличение доли цеолитсодержащей породы более 50% хотя и благоприятно сказывается на спекании и кристаллизационных процессах, в то же время резко уменьшает интервал спекания и вызывает деформации образцов при 1100оС.
Исследования образцов из массы М-3, обожженных при 1050 и 1100оС, рентгенофазовым и микроскопическим методами показали, что кристаллические составляющие представлены разложившимися остатками глинистых минералов: кварцем, ортоклазом и вновь образующимися фазами — гематитом ^/п 0,264; 0,251;
0.184.нм) и кристобалитом ^/п 0,404; 0,247; 0,202 нм). По данным микроскопического исследования, кристаллические составляющие черепка достаточно прочно связаны стеклофазой. Между твердыми частицами присутствует незначительное количество круглых пор, что обеспечивает высокую прочность и низкое водопогло-щение образцов.
Результаты опытных испытаний, проведенные на базе научно-производственного центра университета, показали, что полнотелые кирпичи на основе массы М-3, обожженные в промышленной камерной электропечи объемом 3 м3 при температуре 1060оС, имели водопоглощение 5,8—6,6% и предел прочности при сжатии 19,6-21,2 МПа.
Полученные результаты свидетельствуют о возможности получения качественных стеновых облицовочных керамических материалов на основе местного суглинка и цеолитсодержащего песчаника при соответствующем подборе состава шихты. Использование цеолитсодер-жащей породы в производстве керамических стеновых материалов расширит местную сырьевую базу.
Ключевые слова: облицовочный кирпич, суглинок, цеолит-содержащая порода, обжиг, прочность, водопоглощение.
Список литературы
1. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики. М.: Стройиздат. 1977. 239 с.
2. Кара-Сал ¿.^Использование глинистых пород Тувы для производства керамических изделий // Строит. материалы. 2003. № 11. С. 43-45.
3. Ашмарин А.Г., Власов А. С. Цеолитсодержащие глинистые породы как сырье для производства керамических стеновых материалов // Строит. материалы. 2005. № 2. С. 52-53.
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Я! : ® апрель 2010 39
