CC BY
17УДК 691.4
В.А. ГУРЬЕВА, канд. техн. наук, Оренбургский государственный университет; В.В. ПРОКОФЬЕВА, д-р техн. наук, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Строительная керамика на основе композиции техногенного серпентинитового сырья и низкосортных глин
В настоящее время развитие отечественной строительной керамики сдерживается отсутствием запасов высококачественных пластичных глин в стране, вынужденным переходом предприятий отрасли с украинских высококондиционных глин на российское глинистое сырье. Технология, реализованная на большинстве предприятий отрасли, не позволяет получить конкурентоспособную по качеству продукцию на уровне мировых стандартов из низкосортного сырья. Вследствие этого замена традиционного сырья на более дешевое техногенное, научное обоснование новых технологий и разработка оптимальных составов новых керамических материалов приобретает особую актуальность.
Магнийсодержащие силикаты, несмотря на широкое распространение в земной коре — ориентировочно по отдельным наиболее крупным массивам, областям на глубину 100 м насчитывается около 75 млрд т [1], имеют весьма ограниченное применение в промышленности. Основным направлением применения высококачественного природного магнезиального сырья (оливиниты, тальк, дуниты и др.) является производство различных видов высокотемпературной керамики: форстеритовой, периклазовой, кордиеритовой и др. Однако система глина+техногенное сырье, прошедшая спекание в условиях низкотемпературного обжига (1000—1200оС), отличается качеством исходного сырья, фазовым составом черепка, процессами структурообразования, размерами кристаллов по сравнению с огнеупорами. По классификации, предложенной П.И. Боженовым [2], данное техногенное сырье является продуктом обогащения горных пород ультраосновного состава и относится к группе А — продуктам, сохраняющим химический и минералогический состав соответствующих горных пород.
В работе с целью оптимизации составов и технологии строительной керамики на основе композиции тех-
ногенного магнезиального сырья (серпентинит) использованы низкосортные легкоплавкие глины Оренбуржья (Соль-Илецкое и Чернореченское месторождения) и техногенный серпентинит Халиловского горно-обогатительного комбината. Химический состав компонентов представлен в табл. 1. Согласно результатам количественного рентгенофазового анализа, выполненного ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» МПР России (Казань), серпентинитовое техногенное сырье содержит серпентиновые минералы в количестве 83±7%, которые представлены смесью хризотила и лизардита в соотношении ~ 2:1. Характеристика глинистого сырья по основным качественным признакам приведена в табл. 2. Выполненные РФА и ДТА месторождений опытных глин свидетельствуют об их полиминеральном составе.
Основными глинами являются смешанослойные фазы — гидрослюда-каолинито-монтмориллонит с примесью кальцита, хлорита, полевого шпата.
На первом этапе подбирался диапазон формовочной влажности сырца рационального состава исходной смеси с учетом расчетно-модельных составов шихт глина+серпентинит, полученных методом математического планирования эксперимента. Согласно [3] именно этот фактор является причиной образования серьезных дефектов в структуре сырца, так как чрезмерное снижение влажности массы может привести к повышению формовочных напряжений и увеличению вероятности образования дефектов как до загрузки сырца в сушилку, так и в начальный период сушки.
Однако величина формовочной влажности тесно связана с количеством глинистых частиц в составе шихты и видом их минеральной составляющей. Чем выше доля глинистого сырья в шихте, тем выше связующая способность и механическая прочность изделия-сырца, но в то же время повышается величина формовочной
Таблица 1
Сырье Массовая доля, %
8Ю2 М2О3 Ре0+Ре203 МдО СаО ЕЯ20 2
Глина соль-Илецкая 61,41 16,56 6,05 3,03 9,66 3,28 100
Глина чернореченская 67,28 12,17 5,15 2,62 9,27 3,51 100
Техногенный серпентинит 44,16 2,33 9,99 43,01 0,47 0,03 100
Наименование месторождения Текстура Цвет Число пластичности Классификация глин по ГОСТ 9169-75
По числу пластичности По содержанию красящих оксидов ^Оэ, ТЮ2) По содержанию А1203 в прокаленном состоянии По количеству включений размером, мм
> 0,5 < 0,001
Соль-Илецкое плотная коричневый 20,88-23,68 средне-пластичная - кислая со средним содержанием средне-дисперсная
Чернореченское плотная коричневый 11,09-13,99 умеренно-пластичная - кислая с низким содержанием низкодисперсная
Таблица 2
20
научно-технический и производственный журнал
август 2012
/Л ®
-I И1
Г-7 к ¿г' ^
Влияние воздействия системы факторов (количества серпентинита в шихте и формовочной влажности смеси) на дообжиговые свойства: а - глина
Чернореченского месторождения; б - глина Соль-Илецкого месторождения; величина формовочной влажности: —♦--18 %; —■--19%;
—А— - 20,25%; —•■— - 21,5%; —□--22,75%; —о— - 24%; —А— - 25%
влажности, возрастает продолжительность и энергоемкость сушки, усложняется процесс удаления механически примешанной воды. Поэтому в ходе эксперимента исследовалось влияние содержания магнезиального компонента (10—60%) и формовочной влажности (18—25%) на свойства как промежуточного продукта — сырца, так и готового изделия. Количество воды в экспериментальных составах вводилось с целью достижения влагосодержания, обеспечивающего нормальную формовочную влажность масс при пластическом способе формования изделий. Воду для затворения технологических смесей предварительно подогревали согласно [4] до 60—70оС. Проникая в структуру частиц в местах дефектов или в поры, вода интенсифицирует образование гидратных оболочек, усиливая расклинивающее действие. Подготовленные смеси после затворения вылеживались в течение суток, а затем повергались формованию. Влияние воздействия системы исследуемых факторов при их одновременном изменении оценивалось по свойствам изделий на двух технологических переделах:
1. После окончания процесса сушки: воздушная усадка, коэффициент чувствительности к сушке.
2. После обжига: общая усадка, средняя плотность, водопоглощение, пористость.
Полученные результаты представлены на рисунке. Анализ двухкомпонентных систем глина+серпенти-нит показывает, что изменение коэффициента чувствительности к сушке происходит в двух случаях:
1. При постоянной величине формовочной влажности значение данного показателя уменьшается с увеличением содержания серпентинита в шихте.
2. При фиксированной доле техногенного сырья в сырьевой смеси коэффициент чувствительности к сушке возрастает одновременно с увеличением формовочной влажности.
Для составов на чернореченской глине и содержании серпентинита 30 мас. % при разных значениях формовочной влажности экспериментальные значения коэффициента чувствительности характеризуются наибольшей плотностью и наименьшим расхождением (рисунок, а). Данный результат указывает на то, что при пластическом способе подготовки сырьевых материалов доля серпентинита, равная 30%, технологически рациональна.
Для составов на соль-Илецкой глине данный результат повторяется. При содержании серпентинита в количестве 27—33% при разных значениях формовочной влажности экспериментальные значения коэффициента чувствительности к сушке практически равны между собой, образуя линию перелома, после которой данный показатель вновь начинает увеличиваться (рисунок, б).
Полученные результаты можно объяснить тем, что в первой части графиков расположены смеси с достаточно большим количеством глинистого вещества, основными минералами которых являются гидрослюды, смешано-слойные образования. Для данных составов требуется повышение величины формовочной влажности, что и приводит к сравнительно высоким значениям коэффициента чувствительности и росту воздушной усадки. Увеличение в шихте серпентинита более установленного диапазона позволяет уменьшить воздушную усадку, так как снижается доля глинистого компонента, однако коэффициент чувствительности к сушке возрастает. Это связано с тем, что с повышением влажности число контактов увеличивается, повышаются модули сдвига быстрой и медленной эластичных деформаций, условный статический предел текучести. Таким образом, для смесей на основе легкоплавких глин и техногенных силикатов магния при пластическом формовании изделий технологически рациональный диапазон серпентинита составляет 27—33%, формовочная влажность изменяется от 18 до 21%.
Производственная апробация результатов исследований проведена в условиях завода ООО «Энергостройматериалы». Состав массы для производства пустотелого кирпича по технологии пластического формования: глина чернореченская — 40%; глина кумакская — 25%; техногенный серпентинит — 35%. Готовые изделия были испытаны в соответствии с ГОСТ 530—2007 и характеризовались: предел прочности при сжатии для опытных изделий составил 17—19 МПа (для изделий заводского состава 7,5—11 МПа); морозостойкость изделий опытного составов — 36—40 циклов (морозостойкость изделий заводского состава менее 10 циклов). Плотность изделий, водопоглощение соответствовали ГОСТ 530—2007.
Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о перспективности применения композиции техногенного магнезиального сырья и низкосортных глин для производства изделий строительной керамики.
Ключевые слова: техногенное сырье, силикаты магния, низкосортные глины, строительная керамика.
Список литературы
1. Прокофьева В.В., Багаутдинов З.В. Строительные материалы на основе силикатов магния. Санкт-Петербург: Стройиздат, 2000. 200 с.
2. Боженов П.И. Комплексное использование минерального сырья и экология. М.: АСВ, 1994. 263 с.
3. Августиник А.И. Керамика. Л.: Стройиздат, 1975. 592 с.
4. Пат. № 2382746 (ЯИ). Способ получения строительной керамики / В.А. Гурьева, В.А. Помазкин, Л.Т. Редько. Опубл. 2010. М.: Бюл. № 6. С. 3.
а
Г; научно-технический и производственный журнал
М ® август 2012 21
