Стеновые блоки на основе карбонатсодержащего трепела месторождения Стальное республики Беларусь Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.61

Г.Н. МАЛИНОВСКИЙ, д-р техн. наук, генеральный директор, В.Ю. МЕЛЕШКО, заведующий НИЛ керамических материалов, О.А. СЕРГИЕВИЧ, научный сотрудник НИЛ керамических материалов, Государственное предприятие «Институт НИИСМ» (Минск, Республика Беларусь)

Стеновые блоки на основе карбонатсодержащего трепела месторождения Стальное Республики Беларусь

В настоящее время в промышленности строительных материалов одним из приоритетных направлений является производство экологически чистых и долговечных стеновых изделий с повышенными теплоизоляционными характеристиками. В этой связи Государственным предприятием «Институт НИИСМ» были разработаны и внедрены в производство на ряде предприятий керамические поризованные блоки, где в качестве поризующей добавки используются древесные опилки, являющиеся отходом переработки древесины. Однако опилки стали активно использовать в качестве топлива при производстве теплоэнергии, что обусловило их дефицит для других отраслей промышленности. В этой связи актуальной стала задача замены опилок на другой компонент, позволяющий получать стеновые блоки с высокой пористостью, а следовательно, с низкой теплопроводностью.

Трепел, диатомит, опока образуют особую группу кремнеземистых пород. Общим для всех этих пород является то, что они в значительной мере сложены опалом. Входящие в состав этой группы породы можно разделить на:

а) породы, сложенные органическими остатками (диатомиты, сложенные скорлупками диатомовых водорослей, обломками спикулей губок и остатками радиолярий; спонголиты, сложенные обломками спикул кремниевых губок, и радиоляриты);

б) породы без явно выраженной органогенной структуры (трепелы — рыхлые породы и опоки — плотные породы), сложенные мельчайшими зернышками опала и халцедона и содержащие иногда незначительное количество органических остатков [1].

На территории Республики Беларусь выявлены значительные запасы известковых трепелов месторождения Стальное, расположенного в Хотимском районе Могилевской области. Общие запасы месторождения на Северном и Южном участках по категориям В+С^С2

составляют 78 млн т (48,2 млн м3). Наиболее предпочтительным для первоочередной разработки является Северный участок [2]. Гидрогеологические условия месторождения относятся к типу сложных, и для обеспечения разработки карьера необходима организация постоянного водопонижения на 1 м ниже подошвы полезного ископаемого либо извлечение породы с естественной влажностью на поверхность с ее дальнейшей подсушкой на воздухе. Разработка месторождения и выбор метода обезвоживания трепела должны быть экономически целесообразным и обоснованным исходя из широкой области его использования. Это может быть производство жаростойких теплоизоляционных плит, использование в качестве активной минеральной добавки в производстве цемента, регулирующего компонента почвы, антислеживающей добавки в производстве удобрений, адсорбента и т. д.

Качество полезного ископаемого по всему месторождению по химическому и минералогическому составу неоднородное, мощность залегания полезного ископаемого изменяется от 0,9 до 18 м с подстилающей породой (мелом) на глубине от 18 до 27,3 м.

Для проведения исследований по получению пори-зованных трепельных стеновых блоков была отобрана представительная проба трепела месторождения Стальное в количестве 3 т из куста скважины № 26А-Д. Проба трепела на разной глубине залегания породы неоднородна. На глубине 0,2—4 м это — супесь зеленовато-серая, известковая, грубая, плотная с включениями гравия и гальки осадочных и изверженных пород 3—5%, малопластичная; 4—9 м — трепел темно-серый с зеленоватым оттенком, известковый с включениями опоки 20—25%; 9—10,5 м — трепел с включениями опоки 15—20% и прожилками обводненного песка; 10,5—15 м — трепел серый с зеленоватым оттенком, известковый с включениями опоки 20—25%, влагонасыщенный; 15—20 м — трепел темно-серый с зеленоватым оттенком, известковый,

Таблица 1

Истинный и расчетный химический состав проб трепела месторождения Стальное

Глубина отбора пробы,м Содержание оксидов,%

SiO2 А122О3 Fe2Oз ТЮ2 Р2О5 СаО МдО SOз Na2O К2О ППП СВ^Ю2 ам^Юг

4-9 58,28 6,53 2,07 0,26 0,02 14,82 0,92 0,37 0,38 0,88 15,91 44,02 34,42

9-10,5 77,32 6,28 1,71 0,33 0,04 5,42 1,13 0,16 0,6 1,16 6,3 68,59 6,29

10,5-15 60,33 5,86 2,17 0,3 0,04 14,26 1,02 0,39 0,41 0,89 14,8 50,63 25,14

15-20 59,24 5,8 2,32 0,29 0,03 16,2 0,9 0,29 0,41 0,94 13,99 40,11 24,72

20-25 6,3 1,17 0,58 0,15 0,1 50,41 0,65 0,2 0,24 0,2 40,48 0,75 -

Средняя проба 4-20 60,94 6,09 2,14 0,29 0,03 14,21 0,96 0,33 0,42 0,93 14,09 46,97 26,14

12

декабрь 2011

Таблица 2

Сводные показатели физико-химических исследований проб трепела месторождения Стальное

Показатель Глубины отбора, м

4-9 9-10,5 10,5-15 15-20 20-25

Содержание А1203, % 6,53 6,28 5,86 5,8 1,17

Содержание красящих оксидов ^е20з+ТЮ2), % 2,33 2,04 2,47 2,61 0,73

Минералогический состав, % кварц 54,8 98,7 51,4 43,9 0,7

кальцит 36,1 1,2 48,3 52,6 96,5

каолинит 9,1 0,1 0,3 0,3 2,8

Содержание тонкодисперсных фракций, % >10 мкм >1 мкм >10 мкм >1 мкм >10 мкм >1 мкм >10 мкм >1 мкм >10 мкм >1 мкм

41,44 17,36 28,22 14,2 47,2 15,9 50,6 19,52 74,7 9,74

Содержание крупнозернистых включений, % 14,5 8,8 15,11 10,2 4

Агломераты трепела плотных разновидностей, включения кварца, полевого шпата, известняка и органические примеси

Пластичность 7,9 3,1 6,6 7,7 -

Содержание свободного кварца, % 44,02 68,59 50,63 40,11 0,75

Содержание карбонатных включений (СаСОз+МдСОз), % 3,64 1,8 4,23 2,55 2,55

Запесоченность, % 34,9 59,5 42,6 39,6 13,9

с включениями опоки 25—30%; 20—25 м — трепел светлосерый, с включениями опоки 20—25% (меловая порода).

Естественная влажность представленных проб трепела месторождения Стальное составляет 16,4—35%.

В воздушно-сухом состоянии трепел представляет собой рыхлую слабосцементированную глинистым веществом кремнистую породу серого цвета землистой структуры. Исходя из того что добывать полезное ископаемое селективно по уровням нецелесообразно, пробы трепела были объединены по интервалу глубины залегания 4—20 м в среднюю пробу, расчетный химический состав которой приведен в табл. 1.

Сводные показатели физико-химических исследований проб трепела месторождения Стальное приведены в табл. 2.

В соответствии с ГОСТ 9169—75 «Сырье глинистое для керамической промышленности. Классификация» представленные пробы трепела месторождения Стальное относятся:

в зависимости от содержания А1203 в прокаленном состоянии — к группе кислого сырья; в зависимости от количества красящих оксидов — к группе со средним содержанием; по гранулометрическому составу — к группе низко- и грубодисперсного по размеру частиц менее 10 и 1 мкм; по пластичности — к группе малопластичного (9— 15 м), умеренно пластичного (4—9 м, 15—20 м) и непластичного сырья (20—25 м);

по количеству крупнозернистых включений — с высоким содержанием включений размером более 0,5 мм (свыше 5%);

по минералогическому составу — к полиминеральному сырью с примесями кварца и кальцита; в зависимости от содержания свободного кварца — к группе с высоким содержанием за исключением интервала залегания 20—25 м;

по суммарному содержанию карбонатных включений их количество в пробах составляет 1,8—4,23%,

18

- 32

30 5

28

- 26

- 24

22

20

18

содержание трепела, % ■ содераниеглины,%

глина Городное (изгиб); глина Городное (сжатие); глина Лукомль (изгиб); глина Лукомль (сжатие);

Рис. 1. Зависимость предела прочности при сжатии и изгибе исследуемых лабораторных образцов от количества вводимого трепела месторождения Стальное при температуре обжига 950оС

950

1000

Температура обжига, оС состав Т - ■ — ■ — ■ - состав ТЛ-3

1050

Рис. 2. Зависимость изменения прочности при сжатии трепельных блоков с пустотностью 34% от температуры обжига

научно-технический и производственный журнал

Таблица 3

Лабораторно-технологические показатели проб трепела месторождения Стальное

Показатель Глубина отбора, м

4- -9 9-10,5 10,5-15 15- -20 20- -25

Формовочная влажность, % 28,5 13,9 28,2 28 25,9

Чувствительность к сушке по Носовой/Чижскому Кч с Кч с Кч с Кч с Кч с

0,12 182,1 0,17 181,5 0,12 183 0,18 182,1 0,06 194

Воздушная усадка, % 3,5 3,2 4,1 4,1 2,9

900 8,2 2,1 7,7 6,8

950 8,5 2,2 8 7

1000 9,1 3,2 8,2 7,3

Общая усадка, %, при температуре, оС 1050 9,2 4,3 8,3 7,9

1100 15,9 5,4 15,4 12,3

1150 22,9 7,7 21 20,4

1200 Образцы оплавились

900 38,8 16,9 33,6 31,1

950 38,7 15,9 33,5 30,9

1000 38,6 15,2 33,3 30,8

Водопоглощение, %, при температуре, оС 1050 38 14,6 33,1 30,7

1100 20,1 10,8 18,8 14,4

1150 1,26 6,18 1,31 1,84

1200 Образцы оплавились

900 49 27,7 45,4 43,2

950 48,9 27,2 45,4 43

1000 48,6 27 45 42,8

Пористость открытая, %, при температуре, оС 1050 48,4 26,6 44,9 42,7

1100 31,9 20,4 30,9 24,7

1150 2,76 12,26 2,88 3,95

1200 Образцы оплавились

основная часть которых сосредоточена во фракции более 5 мм.

Исследование представительной усредненной пробы трепела проводилось в двух направлениях:

— установление возможности получения трепельных стеновых изделий;

— установление возможности замены выгорающих добавок в глинистой шихте при производстве керамических поризованных блоков.

Лабораторно-технологические испытания проводились на образцах—плиточках, балочках и кубиках с последующим определением чувствительности к сушке, спекаемости и усадки. Полученные результаты лабораторных исследований приведены в табл. 3 и позволяют сделать следующие выводы.

Исследуемые образцы проб сырья в естественном состоянии обладают удовлетворительными формовочными свойствами при влажности 14—28,5%.

По чувствительности к сушке, определяемой по экспресс-методике А.Ф. Чижского и по методике З.А. Носовой, представленные пробы трепела месторождения Стальное являются малочувствительными к сушке.

По степени и температуре спекания исследуемое сырье относится к группе неспекающегося.

Воздушная линейная усадка образцов изменяется в пределах 1,6—4,8%.

Ожидаемая температура обжига составит 1000—1050оС.

С целью установления возможности замены выгорающих добавок и влияния вводимого трепела на свойства

Таблица 4

Шихтовые составы масс

Наименование компонента Содержание компонентов, %

Лабораторный индекс

Т ТГ-1 ТГ-2 ТГ-3 ТГ-4 ТГО-1 ТГО-4 Г ТЛ-1 ТЛ-2 ТЛ-3 ТЛ-4 Л ТЛО-1 ТЛО-4

Глина (Городное) - 70 60 50 40 50 50 100 - - - - - - -

Глина (Лукомль) - - - - - - - - 70 60 50 40 100 50 50

Трепел(Стальное) 100 30 40 50 60 50 50 - 30 40 50 60 - 50 50

Древесные опилки, сверх 100% - - - - - 1 4 - - - - - - 1 4

научно-технический и производственный журнал 14 декабрь 2011

Таблица 5

Структурные характеристики лабораторных образцов

Индекс образцов Водопоглощение, % Плотность объемная, г/см3 Пористость открытая, %

950оС 1000оС 1050оС 950оС 1000оС 1050оС 950оС 1000оС 1050оС

Т 25 24,8 24,6 1,556 1,557 1,558 38,9 38,7 38,5

ТГ-1 8,4 8 7,8 1,902 1,903 1,916 16 15,3 14,9

ТГ-2 10,4 10,1 9,7 1,818 1,827 1,842 18,9 18,5 17,8

ТГ-3 12,8 12,5 12,2 1,75 1,753 1,768 22,4 22 21,6

ТГ-4 14,5 14 13,9 1,703 1,71 1,715 24,6 24 23,8

ТГО-1 16 15,9 15,3 1,647 1,642 1,66 26,1 26 25,5

ТГО-4 18,9 18,8 18,5 1,543 1,545 1,554 29,2 29 28,4

Г 5,9 4,8 1,5 2,023 2,056 2,063 12,1 9,8 3

ТЛ-1 16,5 16,3 14,4 1,72 1,722 1,759 28,4 28,1 25,4

ТЛ-2 17,9 17,8 15,9 1,67 1,672 1,704 29,8 29,7 27

ТЛ-3 18,7 18,3 16,4 1,64 1,645 1,679 30,8 30 27,5

ТЛ-4 21,1 19,9 17,7 1,587 1,595 1,635 33,4 31,7 29

Л 13,8 13,4 10,9 1,847 1,856 1,917 25,5 24,9 20,9

ТЛО-1 20,9 20,7 19,5 1,571 1,572 1,591 32,5 32,3 30,7

ТЛО-4 21,2 21 19,6 1,533 1,541 1,565 32,8 32,5 31,2

до 114 с (состав ТГ-4) для образцов на тугоплавкой глине, т. е. масса переходит в класс средней чувствительности к сушке. И от 114,9 с (состав Л) до 175,9 с (состав ТЛ-4) для образцов на легкоплавкой глине.

Общая усадка образцов, обожженных при температуре 950оС, 1000оС и 1050оС, составляет соответственно 7,9—10,5; 8—10,9 и 8,6—11%. Ввод трепела приводит к снижению общей усадки для обоих типов глинистого сырья.

Структурные характеристики обожженных при указанной температуре образцов приведены в табл. 5.

Анализ полученных данных показывает, что с увеличением количества вводимого трепела до 60% средняя плотность керамического камня в среднем снижается до 1,7 г/см3 для образцов на основе глины Городное и до 1,59 г/см3 — для глины Лукомль. При пустотности изделий 45—50% и плотности керамического камня 1,59 г/ см3 может достигаться возможность получения пустотелых блоков со средней плотностью 800—850 кг/м3 и высокими теплозащитными свойствами.

Зависимость изменения механической прочности образцов от количества вводимого трепела представлена на рис. 1.

Исследование прочностных характеристик показывает закономерность увеличения механической прочности исследуемых образцов, которая достигает максимального значения при содержании в составе 50% трепела стсж=31,2—38,9 МПа; стизг=2,9—9,2 МПа для тугоплавкой глины и стсж=30,8—4б МПа; стизг=11,5—13,7 МПа для легкоплавкой глины, что, вероятно, обусловлено флюсующим действием СаО. Низкая прочность образцов при изгибе на основе глины Городное обусловливается высокой чувствительностью к сушке и наличием дефектов структуры керамического камня обожженных образцов.

С целью уточнения полученных данных лаборатор-но-технологических исследований в полузаводских условиях проводился выпуск опытных партий изделий в натуральную величину, как из чистого трепела (состав Т), так и из смеси с глиной Лукомль (состав ТЛ-3).

Учитывая возможное влияние карбонатов, имеющихся в трепеле, на свойства керамического камня [3], под-

легкоплавких и тугоплавких глин были исследованы составы: тугоплавкая глина месторождения Городное — средняя проба трепела месторождения Стальное, легкоплавкая глина Лукомль — средняя проба трепела Стальное, а также древесные опилки. Выбор глин обусловлен тем, что они являются исходным сырьем для производства поризованных блоков и на предприятиях имеются железнодорожные подъездные пути для доставки трепела. Исследуемые шихтовые составы масс представлены в табл. 4.

Изготовление лабораторных образцов с формовочной влажностью 20—26,9% осуществлялось на экструде-ре шнековом лабораторном марки МД1-008 при разрежении 0,092—0,095 МПа, давлении в головке пресса 0,4—0,6 МПа. Общая продолжительность сушки образцов 6 ч, при этом значения воздушной усадки уменьшаются с увеличением содержания трепела от 9,8% до 8,7% для образцов на основе тугоплавкой глины и от 9,1% до 7,6% — на основе легкоплавкой. С введением трепела снижается чувствительность к сушке, определяемая по ускоренной методике А.Ф. Чижского, от 91 с (состав Г)

24

о

о ч о со

19

23,9 - 23 7 1038 _______________

1029____ ___________1033

1017 1020

19,6 -----------19,2

| | -г ---------

950

1040

1020

-1010

1000

Температура обжига, оС состав Т - - — - — - - состав ТЛ-3

1050

1005

Рис. 3. Зависимость изменения водопоглощения и объемной плотности трепельных блоков с пустотностью 34% от температуры обжига

Рис. 4. Образцы трепельных стеновых блоков, обожженных при температуре 1050оС: а - состав Т (100% трепел месторождения Стальное); б - состав ТЛ-3 (50% трепел, 50% глина Лукомль)

готовка сырьевых материалов велась в следующей последовательности. Высушенные пробы трепела первоначально измельчались в молотковой дробилке и усреднялись в среднюю пробу. Проба для формовки из чистого трепела увлажнялась из расчета получения формовочной влажности и дважды была переработана на прессе, оборудованном решеткой с ячейками 010—12 мм.

Глина месторождения Лукомль измельчалась в вальцах тонкого помола с зазором между валками 1—3 мм, а затем составлялась шихта путем перемешивания глины с порошком средней пробы трепела в соотношении 1:1 и дальнейшей ее переработкой на шнековом прессе, оснащенном решеткой. С целью усреднения по влажности подготовленные массы вылеживались в течение суток.

Формование пустотелых блоков размером 250x120x138 мм как из чистого трепела, так и из смеси с глиной осуществлялось на вакуум-прессе RUR-20 при следующих технологических параметрах: давление в головке пресса 0,85—1 МПа при пустотности 34% и 1,1—1,25 МПа при пустотности 52%, вакуум при этом составил 0,09—0,095 МПа. При формовании контролировалась формовочная влажность. Для половины све-жесформованных изделий обоих составов дальнейший технологический процесс сушки и обжига осуществлялся на линии производства лицевого кирпича Минского керамического завода ОАО «Керамин».

В условиях опытного производства института НИИСМ сушка отформованных изделий проводилась в два этапа: подвялка сырца в естественных условиях при относительной влажности воздуха 56,9—67,6% и температуре 18,6—20,5оС с последующей сушкой изделий в камерной сушилке в течение 48 ч при медленном подъеме температуры до 80—100оС. Значения воздушной усадки для изделий состава Т составили 4,1—4,3%; для состава ТЛ-3 — 6,2—6,4%. Высушенные блоки с пустот-ностью 34% и остаточной влажностью 1,7—3,1% обжигались в электропечи при температуре 950, 1000, 1050оС.

Большое содержание карбонатной породы в материале способствует уменьшению интервала спекания, и, как следствие, возрастает опасность возникновения деформации изделий. Данные по спекаемости трепела месторождения Стальное представлены в табл. 3.

Закономерности изменения физико-механических характеристик (прочности, водопоглощения, средней плотности) обожженных изделий составов Т, ТЛ-3 от температуры обжига приведены на рис. 2, 3.

Экспериментально установлена оптимальная температура обжига — 1050оС для состава ТЛ-3, при этом скорость подъема температуры 45оС/ч с выдержкой при максимальной в течение 1 ч, общее время обжига без учета охлаждения составляет 24,3 ч.

Обожженные при данных условиях образцы трепельных блоков и с глиной Лукомль при пустотно-сти 52% представлены на рис. 4.

В результате исследований представленных проб трепела месторождения Стальное установлена возможность получения трепельных стеновых блоков с пустот-ностью 52% методом экструзии, а также поризованных пустотелых блоков на основе глин с добавкой трепела, соответствующих требованиями СТБ 1719—2007 «Блоки керамические поризованные пустотелые. Технические условия».

Состав Т (100% трепел месторождения Стальное) — блок керамический поризованный пустотелый размерами 250x120x138 мм, марка по прочности М50, марка по средней плотности D750, марки по морозостойкости F50 (КПП 250x120x138-50-750-50 СТБ 1719-2007).

Состав ТЛ-3 (50% трепел месторождения Стальное, 50% глина Лукомль) - блок керамический поризованный пустотелый размерами 250x120x138 мм, марка по прочности М100, марка по средней плотности D800, марка по морозостойкости F50 (КПП 250x120x138-100-800-50 СТБ 1719-2007).

Обожженные в условиях Минского керамического завода ОАО «Керамин» образцы блоков обоих составов соответствуют требованиям СТБ 1719-2007.

Разработка трепелов месторождения Стальное позволит организовать в Хотимском районе Могилевской области выпуск долговечных материалов для строительной отрасли, а также реализовать трепел как сырье для других производств индустрии республики и тем самым заменить привозные сырьевые материалы на местные.

Ключевые слова: кремнистое сырье, трепел, поризо-ванные блоки.

Список литературы

1. Григорович М.Б. Требования промышленности к качеству минерального сырья: Справочник для геологов. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1962. С. 3-26.

2. Отчет о детальной разведке месторождения известковых трепелов Стальное Хотимского района Могилевской области, проведенной в 2001-2004 гг. с подсчетом запасов по состоянию на 01.06.2004 г. (Хотимский объект № 1). Отчет РУП «Белгеология». Слуцк, 2004.

3. Чумаченко Н.Г., Кузьмин В.В. Особенности влияния вида карбонатных включений на дутикообразование // Строительные материалы. 2011. № 4. С. 47-49.

16

декабрь 2011