CC BY
40
УДК 666.3-1
САФОНОВА ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА, аспирант,
филиал Иркутского государственного технического университета
(ИрГТУ) в г. Усолье-Сибирском,
665470, Иркутская область, г. Усолье-Сибирское, ул. Менделеева, 65, ВЕРЕЩАГИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, vver@tpu.ru
Томский политехнический университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 30,
БАЯНДИНА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА, канд. техн. наук, доцент, Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83
СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ НИЗКО- И CРЕДНЕПЛАСТИЧНОГО ГЛИНИСТОГО И ДИОПСИДОВОГО СЫРЬЯ
Показан эффект введения диопсида в мало- и среднепластичное глинистое сырьё с содержанием 7-13 % глинистых минералов. Прочность обожженных диопсидсодер-жащих масс увеличивается в зависимости от содержания гидрослюды и монтмориллонита в глинистой составляющей пород. Температура эффекта упрочнения глинистого сырья диопсидом лежит в пределах 900-1100 °С и определяется количеством каолинита в глинистом сырье.
Ключевые слова: глинистые минералы; диопсидовое сырье; спекание; строительная керамика.
SAFONOVA, TATIANA VALERJEVNA, P.G.,
Irkutsk State Technical University,
65 Mendeleyev st., Usolie-Siberian, 665470, Russia,
VERESCHAGIN, VLADIMIR IVANOVICH, Dr. of tech sc., prof., vver@tpu.ru
Tomsk Polytechnic University,
30 Lenin Avenue, Tomsk, 634000, Russia,
BAYANDINA, ELENA VIKTOROVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof.,
Irkutsk State Technical University,
65Mendeleyev st., Irkutsk, 665470, Russia
BUILDING CERAMIC ON THE BASIS OF COMPOSITIONS OF LOW- AND MEDIUM PLASTIC CLAY AND DIOPSIDE RAW MATERIAL
The effect of the introduction of diopside into small- and mean raw clay materials containing 7-13 % of clay minerals is shown in the article. The strength of the burned diopside masses increases depending on the content of hydromica and montmorillonite in clay component of rocks. The temperature of the effect of strengthening the clay raw material by diopside lies within the limits 900 - 1100 °C and is determined by a quantity of kaolinite in the clay raw material.
Keywords: day minerals; diopside; sintering; building ceramic.
© Т.В. Сафонова, В.И. Верещагин, Е.В. Баяндина, 2012
Особенностью сырьевой базы Байкальского региона является практически полное отсутствие высококачественного глинистого сырья. В большинстве случаев для местных легкоплавких глин и суглинков характерен сложный вещественный состав, что обуславливает невысокое качество выпускаемой продукции. Актуальным является поиск новых технологических решений, обеспечивающих выпуск высококачественных строительных материалов.
Опыт применения диопсидовых пород в производстве строительной керамики показал эффективность его использования в массах для строительных материалов различного назначения. Применение диопсида в композиции с легкоплавкими глинами и суглинками предполагает формирование при температуре обжига 950-1050 °С высокопрочной строительной керамики, отвечающей повышенным требованиям [1].
По нашим исследованиям [Там же], глинистое сырьё является легкоплавкими пылеватыми суглинками, мало- и среднепластичными, средне-и умеренночувствительными к сушке. Исследованные глинистые породы характеризуются малым содержанием глинистых минералов (7-13 %) и высоким содержанием (около 90 %) песчаных и пылеватых фракций [2]. Минеральный состав глинистого сырья представлен в табл. 1. Рентгенограммы глинистой составляющей пород представлены на рис. 1.
Таблица 1
Минеральный состав глинистого сырья
Наименование сырья (количество глинистых минералов) Минералы
Кварц Альбит Микроклин Ортоклаз Плагиоклаз Гематит Кальцит Содержание в глинистой составляющей, %
Вермикулит Каолинит 9 о о & и Г Монтмориллонит в смешанослойном распределении
Тимлюйский суглинок (7,36) + - - - + + - - 47 49 4
Олонский суглинок (11,60) + - - - + + + - 8 49 43
Слюдянская глина (13,30) + - - - + + - 14 1 75 -
Мальтинский суглинок (9,35) + + + - - + + - 25 59 16
Максимовский суглинок (9,00) + + + + - + - - 55 44 1
Диопсид - минерал из группы пироксенов - силикатов с цепочным строением кремнекислородных анионов, отвечающий формуле Са,Мg[SiO3]2. Сингония моноклинная. По сравнению с ромбическими пироксенами моноклинные более устойчивы. Диопсид образует зерна короткостолбчатых очертаний [3]. Количество диопсида в породе, используемой в работе, около 90 %.
б
д
Рис. 1. Рентгенограммы глинистой составляющей сырья
Известны работы [4, 5] по применению диопсида в массах для строительной керамики в грубодисперсных фракциях. В данном случае фракционный состав вводимой диопсидовой породы представлял собой частицы менее 63 мкм.
Так как активной частью глинистого сырья при обжиге являются глинистые минералы, то правильным было бы рассматривать содержание диопсида относительно глинистой составляющей породы (табл. 2). Влияние добавки на спекание, а также на свойства строительных материалов после обжига отслеживалось по изменению водопоглощения и прочности на сжатие образцов, обожженных при температуре 900-1100 °С. Для установления процессов, происходящих при обжиге глинистого сырья с добавкой диопсида, выполнялись дериватографический (ДТА) и микроскопический анализы.
Изменение свойств продуктов обжига глинистого сырья, содержащего 7-13 % глинистых минералов, с введением маложелезистой диопсидовой породы заключалось в увеличении прочности образцов в 1,5-2 раза при температуре обжига 900-1100 °С и уменьшении водопоглощения масс, содержащих 3 и 6 % диопсида в шихте, и относительных количествах диопсида 0,2-0,4 по отношению к глинистой составляющей (рис. 2).
Процессы, протекающие при обжиге рассматриваемых композиций, исследовались комплексным термическим анализом (рис. 3). В области температур 900-1000 °С на кривых ДТА глинистого сырья в композиции с 3 и 6 %
диопсида фиксируется экзотермическая реакция, отсутствующая на ДТА глинистого сырья, что связано с образованием новых фаз в области данных температур при введении диопсида.
Таблица 2
Содержание диопсида в шихте и относительно глинистой составляющей
Наименование глинистого сырья
Содержание компонентов в массе, % <и § « Н <и § Я О ч О О § И а о О § И к н Л £ О § О М О К л
Диопсид Глинистое сырьё Содержание диопсида в композиции с глинистой составляющей, %
0 100 0 (7,35) 0 (11,6) 0 (13,3) 0 (9,35) 0 (9,00)
3 97 29,61 (7,12) 25,86 (11,25) 18,86 (12,9) 24,85 (9,06) 25,57 (8,73)
6 94 46,47 (6,9) 35,05 (10,90) 32,42 (12,5) 40,57 (8,78) 41,49 (8,46)
9 91 57,36 (6,68) 46,03 (10,55) 42,64 (12,1) 51,40 (8,50) 52,35 (8,19)
12 88 64,97 (6,46) 54,05 (10,20) 50,62 (11,7) 59,32 (8,22) 60,24 (7,92)
15 85 70,59 (6,24) 60,33 (9,86) 56,39 (11,4) 65,38 (7,94) 66,22 (7,65)
При сравнении микроснимков композиции тимлюйского суглинка и диопсида, обожженных при температуре 900 и 1050 °С (рис. 4), видно, что края частиц диопсида в образце, обожженном при 1050 °С, нечёткие, оплавленные, следовательно, диопсид на данной стадии реагирует с продуктами дегидратации глинистого вещества. На снимке образца, обожжённого при температуре 900 °С, диопсид ещё не вступает во взаимодействие с продуктами распада глинистых масс и существует как отдельная фаза.
Приведённые результаты исследований показывают, что эффект от введения диопсида в глинистое сырье различного минерального состава различен. Также различно количество диопсида, создающее эффект упрочнения, и температура, при которой происходит максимальное упрочнение.
По рис. 5 видно, что эффект упрочнения глинистого сырья при введении диопсида не зависит от содержания глинистых минералов. Упрочнение произошло при содержании 3 (олонский, слюдянский суглинки) и 6 % диопсида (тимлюйский и новомальтинский суглинки). Эффект упрочнения при введении 3 % диопсида наблюдается в композициях диопсида и глинистого сырья, содержащего 1-8 % каолинита в глинистой составляющей, а при содержании 15-44 % каолинита для упрочнения необходимо вводить большее количество диопсида (6 %).
11 Г V
^ I § § г ё I § ^ 5
я
12 15
з в'
рЧ Е
«- и
Й 3
« О О И
В 8
Р 5 И
Содержание днопсцда в массе, %
Массы на основе: а - тимлюйского (Гобж 1050 °С) б - олонского (Гобж 950 °С) в - слюдянского (Гобж 900 °С) г - мальтинского (Гобж 1000 °С) д - максимовского (Гобж 1100 °С) суглинков -О-— - прочность -- водопоглощение
0 3 6 9 12 15
Содержание диопсида в массе. °<
а
г
в
д
Рис. 2. Изменение свойств при обжиге образцов на основе полиминерального глинистого сырья в зависимости от содержания диопсида в шихте
Увеличение процента прироста прочности масс при введении диопсида зависит от содержания гидрослюды и монтмориллонита в глинистых породах и повышается с увеличением их количества в глинистой составляющей (рис. 6). Температура прироста прочности при введении диопсида в глинистое сырьё находится в пределах 900-1100 °С и повышается с увеличением содержания каолинита в глинистой части пород (рис. 7).
По значению прочности при сжатии обожженных образцов на основе масс с диопсидом и глинистого сырья рассчитывался коэффициент упрочнения (делением максимальной прочности обожженных диопсидсодержащих масс на прочность образцов без диопсида, обожжённых при той же температуре) (рис. 8, табл. 3). Величина коэффициента упрочнения изделий при введении диопсида в легкоплавкое малопластичное сырьё с содержанием глинистых минералов 7-13 % увеличивается с 1,05 до 2 при увеличении количества
монтмориллонита глинистой составляющей с 1 до 43 % (рис. 9). При этом абсолютная прочность продуктов обжига находится в пределах от 21 до 34 МПа. Аналогичный эффект наблюдается при содержании вермикулита в глинистой составляющей 14 %.
.......- глинистая порода
---------масса с 3-6 % диопсида
а - тимлюйский суглинок и масса Т3 б - слюдянский суглинок и масса С2 в - олонский суглинок и масса О2
Температура, “С
в
Рис. 3. Сравнительные характеристики ДТА глинистого сырья и масс на его основе, содержащих 3 и 6 % диопсида в шихте
Рис. 4. Микроснимок композиции тимлюйского суглинка с диопсидом, обожженной при 900 (а) и 1050 °С (б)
Композиции глинистого сырья и диопсида на основе:
1, 2 - тимлюйского (Гобж 1050 и 1100 °С)
3 - максимовского (Гобж 1100 °С)
4 - мальтинского (Гобж 1050 °С)
5 - олонского (Гобж 950 °С)
6 - слюдянского (Гобж 900 °С) суглинков
Рис. 5. Прирост прочности диопсидсодержащих масс с различным содержанием глинистых минералов в шихте
Рис. 6. Зависимость прироста прочности масс от содержания гидрослюды и монтмориллонита в глинистой составляющей
1100
и
1050
Температура 1000 950 900
85 0
800
I I
8
55
Содержание каолинита в глинистой составляющей сырья, %
Рис. 7. Температура максимального проявления эффекта упрочнения строительной керамики в композициях диопсида и глинистого сырья с различным содержанием каолинита
7.35 9 9,35 11,6
Количество глинистых, %
13.3
1 - тимлюйский (Гобж 1050 °С)
2 - максимовский (Гобж 1100 °С)
3 - мальтинский (Гобж 1000 °С)
4 - олонский (Гобж 950 °С)
5 - слюдянский (Гобж 900 °С)
□ - массы с диопси-дом
■ - образцы на основе глинистого сырья
Рис. 8. Прочность на сжатие образцов на основе легкоплавких суглинков с различным содержанием глинистых минералов и масс с диопсидом
Таблица 3
Коэффициент упрочнения диопсидсодержащих масс на основе глинистого сырья с различным содержанием монтмориллонита
Содержание монтмориллонита в смешанослойном распределении в глинистой составляющей, % Прочность обожженных образцов без диопсида, МПа Прочность образцов на диопсидсодержащих масс, МПа Коэффициент прироста прочности
4 17 25,5 1,5
14 (вермикулит) 12 21 1,75
16 20 34 1,71
43 17 34 2
1 22 23 1,05
«
и
<и
О
а
а
н
и
<и
«
Я
«
■е
■е
т
о
ы
2
1,9
1.8
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
одз
950 °С
ТД6 1050 °С
НД6 1000 °С
МД6 1100 °С
0,5 4 16 .. 43
Содержание монтмориллонита в смешанослойном распределении в глинистой составляющей сырья, %
Рис. 9. Коэффициент прироста прочности обожженных образцов при введении диопсида в малопластичные суглинки с различным содержанием монтмориллонита
Следовательно, коэффициент упрочнения обожженных образцов на основе легкоплавких суглинков при введении диопсида определяется только количеством монтмориллонита или вермикулита. И при содержании данных минералов в глинистой составляющей около 40 % коэффициент упрочнения равен 2 (рис. 9).
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. В глинистом сырье с содержанием глинистых минералов от 7 до 13 % упрочняющий эффект при обжиге проявляется при введении диопсида в количестве от 20 до 40 % относительно глинистой составляющей, что обеспечивает упрочнение композиций глинистого сырья и диопсида в 1,5-2 раза.
2. Упрочнение при введении диопсида в глинистое сырьё наблюдается при наличии в глинистой составляющей более 60 % монтмориллонита и гидрослюды. Температура достижения максимальной прочности находится в пределах от 900 до 1100 °С и повышается в зависимости от содержания каолинита в глинистой составляющей сырья.
3. Величина коэффициента упрочнения изделий при введении диопсида в легкоплавкое малопластичное сырьё с содержанием глинистых минералов 7-13 % определяется относительным содержанием монтмориллонита в глинистой составляющей от 4 до 40 %. При этом прочность продуктов обжига находится в пределах от 21 до 34 МПа. Аналогичный эффект наблюдается при содержании вермикулита в глинистой составляющей сырья 14 %.
Библиографический список
1. Полифункциональные неорганические материалы на основе природных и искусственных соединений / В.И. Верещагин, В.В. Козик, В.И. Сырямкин [и др.]. - Томск : Изд-во ТПУ, 2002. - 358 с.
2. Сафонова, Т.В. Процессы при обжиге легкоплавких суглинков / Т.В. Сафонова, Ю.А. Зыкова, Е.В. Баяндина // Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск, 2011. - Т. 3. - С. 118-122.
3. Брегг, У. Кристаллическая структура минералов / У. Брегг, Г. Кларингбулл. - М. : Мир, 1967. - 390 с.
4. Верещагин, В.И. Моделирование структуры и оценка прочности строительной керамики из грубодисперсных масс / В.И. Верещагин, А. Д. Шильцына, Ю.М. Селиванов // Строительные материалы. - 2007. - № 6. - С. 65-61.
5. Вакалова, Т. В. Рациональное использование природного и техногенного сырья в керамических технологиях / Т. В. Вакалова, В. М. Погребенков // Строительные материалы. -2007. - № 4. - С. 45-50.
