CC BY
16УДК 666.3
Б.К. КАРА-САЛ, д-р техн. наук, Д.Х. САТ, Л.Э. КУУЛАР, инженеры (silikat-tgu@mail.ru), Тувинский государственный университет (г. Кызыл, Республика Тыва)
Повышение качества керамического кирпича с применением цеолитсодержащей породы
В условиях рыночной экономики важным фактором эффективности производства является выпуск конкурентоспособной продукции. Однако в связи с истощением запасов высококачественных глин во многих регионах страны предприятия по производству керамических стеновых материалов вынуждены использовать местное низкосортное глинистое сырье, при применении которого в качестве основного компонента для регулирования технологических свойств шихты и повышения качества обожженных керамических изделий в состав массы необходимо вводить различные добавки природного и техногенного происхождения. Для решения этой актуальной задачи необходимо исследовать наличествующие сырьевые компоненты, а также разработать составы шихты с последующим изучением эксплуатационных характеристик получаемой продукции.
В лаборатории строительных материалов Тувинского государственного университета проведена исследовательская работа с целью повышения качества керамического кирпича на основе низкосортного суглинка с добавкой нетрадиционного природного сырья, которое ранее не применялось в этой отрасли, являясь промышленным отходом.
На кирпичном заводе ООО «Жилье» (г. Кызыл) из-за низкого содержания глинистых частиц в используемом бий-хемском суглинке при формовании изделий пластическим способом наблюдается разрыв граней и трещины в глиняном брусе. Дефекты при формовании составляют 8—10%, брак при сушке — 4—6%. О недостаточном спекании суглинка свидетельствует низкая прочность (9,4-11,2 МПа) изделий после обжига при 900-1000оС. В минералогическом составе бий-хемского суглинка наряду с монтмориллонитом присутствуют кварц (41-44%), ортоклаз (8-10%), хлорит (4-6%), кальцит (3-5%) и железистые соединения (5-7%). Огнеупорность данной глинистой породы в пределах 1230-1250оС.
Для улучшения технологических свойств (формуе-мости, чувствительности к сушке и интенсификации спекания) в состав шихты на основе малопластичного суглинка была добавлена местная цеолитсодержащая порода.
Целесообразность применения указанной породы связана с особенностями структуры цеолитов - каркасных алюмосиликатов, которые отличаются ионообменными, сорбционными и каталитическими способностями [1], что позволяет предположить о многофункциональном их действии на керамические шихты.
В работе использована мелкая песчаная фракция (до 3 мм) продуктов дробления цеолитсодержащей породы при производстве искусственных заполнителей для дорожного строительства. Исходная порода имеет красно-коричневый цвет, структура мелкокристалличе-
ская, средняя насыпная масса песчаной фракции составляет 1540-1560 кг/м3.
Анализ химического состава породы, приведенного в табл. 1, показывает, что наряду с высоким содержанием железистых соединений, щелочно-земельных элементов в значительном количестве присутствуют щелочные оксиды (К2О и №2О), что очень важно для получения температурного расплава.
Минеральный состав цеолитсодержащей породы, по данным рентгенофазового анализа, представлен клиноптилолитом, кварцем, плагиоклазом, монтмориллонитом, железным соединением и вулканическим стеклом. При этом содержание основных компонентов породы составляет: клиноптилолита - 6-8%; кварца -22-26%; альбита - 38-44%; монтмориллонита - 6-8%; гидрооксидов железа - 5-7% и вулканического стекла - 4-5%. Следует отметить, что от чистых цеолитов рассматриваемая порода отличается низким содержанием клиноптилолита и наличием глинистого минерала, а также вулканического стекла.
При выполнении работы использована измельченная проба бий-хемского суглинка из конвейера кирпичного завода ООО «Жилье». Цеолитсодержащая порода предварительно измельчалась в лабораторной шаровой мельнице до остатка на сите 0063 не более 3%. При приготовлении массы пластическим способом добавка вводилась в состав шихты в количестве 5, 10 и 20%. Из пластичной массы формовались опытные образцы - цилиндры диаметром и высотой 35 мм, которые после сушки обжигали в лабораторной электропечи с изотермической выдержкой 1 ч при различной температуре.
Определение технологических свойств массы и физико-механических характеристик обожженных изделий выполнялось согласно стандартным методикам.
По результатам исследования установлено, что введение тонкомолотой цеолитсодержащей породы (ЦСП) в состав массы из малопластичного суглинка улучшает пластичность и формовочную способность массы. Как показано в табл. 2, при добавке 10 и 20% тонкомолотой цеолитсодержащей породы число пластичности повышается с 7,5 до 9,2 и 11,5 соответственно. Формовочная влажность массы с повышением количества добавок увеличивается с 17,5 до 20,8%. При этом улучшается форму-емость массы, не наблюдается разрыва граней и трещин (по результатам заводских испытаний) глиняного бруса, что свидетельствует о повышении пластичности массы за счет цеолитовых и монтмориллонитовых минералов, содержащихся в измельченной породе. Эффект повышения формуемости массы объясняется разрушением первичной структуры частиц клиноптилолита и их последующим увлажнением и разбуханием. Улучшению пластичности массы еще способствуют разрушенные
Таблица 1
Материал Массовая доля оксидов
SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO K2O 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 58,95 11,64 0,4 9,82 5,45 1,92 2,89 2,17 9,76
научно-технический и производственный журнал
Таблица 2
Состав массы, % Формовочная влажность, % Число пластичности Воздушная усадка, % Предел прочности при сжатии, МПа
Суглинок 100 17,5 7,5 2,8 1,7
Суглинок 95 ЦСП 5 18,1 8,3 2,3 2
Суглинок 90 ЦСП 10 19,4 9,2 1,8 2,4
Суглинок 80 ЦСП 20 20,8 11,5 1 3,3
Таблица 3
Состав массы, % Температура обжига, оС Средняя плотность, г/см3 Огневая усадка, % Водопоглощение, % Предел прочности при сжатии, МПа
900 1,79 0,4 24,8 18,3
Суглинок 100 1000 1050 1,81 1,83 0,9 1,4 22 21,2 21,4 24,9
1100 1,85 2,1 19,1 27,2
900 1,8 0,6 22,6 21,5
Суглинок 95 ЦСП 5 1000 1050 1,82 1,84 1 1,6 20,3 18,8 23,7 27,2
1100 1,87 2,4 16,7 31,7
900 1,82 0,8 20,4 25,8
Суглинок 90 ЦСП 10 1000 1050 1,84 1,86 1,4 2,1 18,2 16,1 28,9 32,3
1100 1,9 3 13,4 36,5
900 1,85 1,2 18,5 31,6
Суглинок 80 ЦСП 20 1000 1050 1,87 1,89 1,6 2,4 16.3 14.4 33,7 37,2
1100 1,93 3,9 10,2 44,8
и увлажненные глинистые минералы (монтмориллонит), присутствующие в цеолитсодержащей породе.
При введении в состав шихты ЦСП наряду с улучшением пластичности повышается связность массы, что увеличивает прочность сырца от 1,7 до 3,4 МПа (табл. 2).
Цеолитсодержащая добавка не только повышает пластичность массы, но и регулирует сушильные свойства. Выявлено, что за счет пространственно-каркасной структуры цеолитов при сушке образцов, содержащих ЦСП, наблюдается уменьшение воздушной усадки с 2,8 до 1%. В данном случае улучшение сушильных свойств керамических масс, содержащих цеолитовые частицы, происходит за счет перевода части свободной воды в связанное состояние путем переноса ее в каркасное пространство цеолита [2].
Влияние цеолитсодержащей добавки на спекание массы на основе низкосортного суглинка определялось дилатометрическим исследованием и изучением фазового состава и физико-механических характеристик обожженных изделий.
Исследование термических процессов, протекающих при нагревании образцов, показало, что до 720оС наблюдается их объемное расширение, что связано со значительным содержанием песчаных частиц в исходном суглинке (24—28%) и цеолитсодержащей породе (22—26%), а также с изменением объема элементарной ячейки клиноптилолита при переходе в морденит [3].
Характер дилатометрических кривых свидетельствует о раннем образовании жидкой фазы в массах с добавкой цеолитсодержащей породы (см. рисунок). Установлено, что при добавке 20% ЦСП образцы при 1100оС имеют усадку в четыре раза больше, чем образцы на основе чистого суглинка, что свидетельствует об интенсивном образовании и существенном накоплении жидкой фазы. Увеличение доли жидкого расплава в фазовом составе обожженных материалов следует связать с химическим составом цеолитсодержащей породы, где содержание щелочных оксидов, активно участвующих в образовании легкоплавких эвтектик, превышает 5%.
Как следствие интенсификации спекания масс в связи с введением цеолитсодержащей породы, выявлено улучшение физико-механических свойств обожженных изделий. Анализ данных, приведенных в табл. 3, показывает, что добавка цеолитсодержащей породы в состав массы на основе трудноспекаемого суглинка способствует интенсивному протеканию термических реакций с участием твердых фаз и образованию жидкого расплава за счет изменения химико-минералогических основ исходной шихты. Выявлено, что при введении 10 и 20% ЦСП средняя плотность и огневая усадка образцов с повышением температуры от 900 до 1100оС постепенно увеличиваются. Это свидетельствует об уплотнении керамического камня. С увеличением доли ЦСП до 20% водопоглощение изделий, обожженных при 1000оС, снижается с 22% до 16,3%, а прочность при сжатии повышается с 21,4 до 33,7 МПа. Это связано с тем, что при температуре свыше 900оС в результате аморфизации и разложения глинистых и цеолитовых минералов образуется в значительном количестве жидкий расплав, который заполняет межзерновые пустоты и склеивает твердые песчаные частицы, вызывая усадку образцов (по данным дилатометрического исследования).
200 400 600 800 1000 1100
Температура, оС
Дилатометрические кривые: 1 - чистый бий-хемский суглинок, 2 - суглинок + 20% ЦСП
научно-технический и производственный журнал
Следует отметить, что образцы с 20% ЦСП после обжига при 1100оС имеют водопоглощение 10,2% и прочность 44,8 МПа. С учетом требований стандарта на стеновые керамические изделия, где водопоглощение должно быть не более 10%, цеолитсодержащей породы в составе массы на основе бий-хемского суглинка следует ограничить до 20%. Как показали результаты предварительного исследования, изделия на основе чистой цеолитсодержащей породы и с введением 30% ЦСП после обжига при 1100оС имели водопоглощение 1,5 и 7,2% соответственно, что позволяет полученные материалы классифицировать как обливочные.
Исследования рентгеновским и микроскопическим методами образцов на основе массы, содержащей 20% ЦСП, обожженных при 1000 и 1100оС, показали, что кристаллические составляющие представлены разложившимися остатками глинистых и цеолитовых минералов, кварцем, альбитом и вновь образующимися фазами — гематитом ^/Ъ 0,264; 0,251; 0,184 нм), кристоба-литом 0,404; 0,247; 0,202 нм) и анортитом 0,417; 0,321; 0,294; 0,27 нм). По данным микроскопического исследования, кристаллические составляющие керамического камня прочно связаны стеклофазой. Как отмечено в работах [4, 5], введение цеолитсодержащих пород в состав керамических масс позволяет получить расплав пониженной вязкости и в результате формируется более прочный керамический материал.
Результаты опытно-промышленного испытания, проведенные на кирпичном заводе ООО «Жилье», показали, что полнотелые кирпичи на основе масс с введением 20% ЦСП при температуре обжига 940—1000оС в кольцевой печи имели водопоглощение 16,6—18,8% и предел прочности при сжатии 14,7—17,9 МПа, что зна-
чительно лучше, чем показатели заводских кирпичей (21-24% при 9,4-11,2 МПа).
Таким образом, основываясь на полученных данных, можно заключить, что применение тонкоизмель-ченной цеолитсодержащей породы в качестве компонента в керамических массах на основе низкосортных суглинков улучшает технологические свойства шихты и повышает качество керамических стеновых материалов.
Ключевые слова: суглинок, цеолитсодержащая порода, масса, обжиг, прочность, водопоглощение, повышение качества.
Список литературы
1. Овчаренко Г.И., Свиридов В.Л., Казанцева Л.К. Цеолиты в строительных материалах. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. 320 с.
2. Вакалова Т.В., Погребенков В.М., Ревва И.Б. Технологические способы регулирования поведения керамических масс в сушке // Строительные материалы. 2005. № 2. С. 56-58.
3. Ашмарин Т.Д., Наумкина Н.И., Губайдуллина А.М., Ласточкин В.Г. Керамические стеновые материалы на основе цеолитсодержащего глинистого сырья // Строительные материалы. 2010. № 4. С. 44-46.
4. Ашмарин А.Г., Власов А.С. Цеолитсодержащие глинистые породы как сырье для производства керамических стеновых материалов // Строительные материалы. 2005. № 2. С. 52-53.
5. Корнилов А.В., Пермяков Е.Н., Лыгина Т.З., Хайза-ров ЖХ.Перспективные технологии переработки керамического сырья // Стекло и керамика. 2009. № 1. С. 23-25.
Г; научно-технический и производственный журнал
V.'■^У^АГЬ:® декабрь 2013 51
