Влияние дисперсности непластичных компонентов керамических масс на спекание и свойства строительной керамики Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.712

А.Е. БУРУЧЕНКО1, д-р техн. наук; В.И. ВЕРЕЩАГИН2, д-р техн. наук;

С.И. МУШАРАПОВА1, инженер ([email protected]); В.К. МЕНЬШИКОВА1, инженер ([email protected])

1 Сибирский федеральный университет (660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79/10)

2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (634050, г. Томск, просп. Ленина, 30)

Влияние дисперсности непластичных компонентов керамических масс на спекание и свойства строительной керамики

Представлены результаты исследований влияния дисперсности кварц-полевошпатовых отходов и диопсидового концентрата в керамических массах на спекание и свойства строительной керамики. Установлено, что с уменьшением дисперсности кварц-полевошпатовых отходов в образцах снижается огневая усадка, понижается оптимальная температура обжига, возрастает прочность. Диопсидовый концентрат с дисперсностью 150 мкм в составе керамических масс обеспечивает получение безусадочного строительного материала с высокими физико-механическими свойствами.

Ключевые слова: строительная керамика, спекание, температура обжига, дисперсность, кварц-полевошпатовые отходы, диопсидовый концентрат.

A.E. BURUCHENKO1, Doctor of Sciences (Engineering), V.I. VERESHCHAGIN2, Doctor of Sciences (Engineering), S.I. MUSHARAPOVA1, Engineer ([email protected]), V.K. MENSHIKONA1, Engineer ([email protected])

1 Siberian Federal University (79/10, Room P7-04, Svobodny Avenue, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation)

2 National ResearchTomsk Polytechnic University (30,Lenin Avenue, Tomsk, 634050, RussianFederation)

Influence of Dispersity of Non-Plastic Components of Ceramic Masses on Sintering and Properties of Building Ceramics

Results of the study of influence of dispersity of quartz-feldspar waste and a diopside concentrate in ceramic masses on the sintering and properties of building ceramics are presented. It is established that reducing the dispersity of quartz-feldspar waste in the samples entails the fire shrinkage, decrease in the optimal burning temperature, strength growth. The diopside concentrate with dispersity of 150 mkm in the composition of ceramic masses ensures the obtaining of a non-shrink building material with high physical-mechanical properties.

Keywords: building ceramic, sintering, burning temperature, dispersity, qurtz-feldspar waste, diopside concentrate.

В последние годы российская промышленность стеновой керамики улучшает свои показатели в количественном и качественном отношениях [1—2]. При решении задачи по реализации государственных программ развития промышленного и гражданского строительства актуальным является использование отечественных месторождений и вовлечение в производство техногенных отходов, которые при правильной обработке по многим показателям превосходят традиционное сырье и снижают стоимость выпускаемой продукции [3—5]. В особенности это относится к производству стеновых облицовочных керамических изделий.

Непластичные компоненты в строительной керамике с использованием глинистого сырья выступают как плавнями (полевые шпаты), так и в качестве компонентов, формирующих макроструктуру материала (кварцевый песок). При минимальном содержании глинистых компонентов в шихте (менее 15 мас. %) или их отсутствии непластичные компоненты являются основными при формировании кристаллических фаз материалов (волластонит, диопсид, тальк, серпентин и др.).

В технологии производства керамических изделий важная роль отводится приготовлению массы и обжигу, от которых зависит интенсивность протекания физико-химических процессов, предопределяющих свойства готовой продукции. На процесс спекания и оптимальную температуру обжига существенно влия-

ют добавки, тонкость помола исходного сырья и режим термической обработки [6—7].

Целью данной работы является исследование влияния дисперсности непластичных компонентов, выполняющих роль плавня (кварц-полевошпатовое сырье в глиносодержащих массах), и основной кристаллической фазы (диопсидовый концентрат) в облицовочной керамике (содержание глинистого компонента 5 мас. %) на процесс спекания и свойства материала. В качестве плавня использовались кварц-полевошпатовые отходы Сорского молибденового комбината (Красноярский край), а как основной компонент для создания кристаллической фазы брался концентрат обогащения Бурутуйского месторождения Слюдянской группы Южного Прибайкалья.

Кварц-полевошпатовые отходы представляют собой хвосты обогащения молибденовых руд. Они однородны по минеральному составу и, как показали рент-геноструктурные исследования, на 50—65% состоят из полевого шпата и 15—25% — кварца. Карбонатные включения содержатся в количестве 8—15%. В значительно меньшем количестве присутствуют магнетит, гематит и эпидот (рис. 1, а). Полевошпатовые минералы представлены в основном альбитом и ортоклазом. Химический и гранулометрический составы отходов приведены в табл. 1 и 2.

Химический состав диопсидовых пород непостоянный из-за различного содержания основного примес-

64

научно-технический и производственный журнал

август 2015

iA ®

Таблица 1

Химический состав сырья

Сырьевой компонент Массовое содержание, %

SiO2 AI2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O ППП

Кварц-полевошпатовые отходы Сорского молибденового комбината 67,5 13,25 0,3 4,45 4,28 1,6 5,91 2,54 0,17

Диопсидовый концентрат Бурутуйского месторождения 54,4 1,2 0,04 0,65 26,2 17,3 0,17 0,04 -

Суглинок Кубековского месторождения 56,4 13,8 0,2 5,78 7,18 2,3 1,5 1,9 10,93

Глина Компановского месторождения 67,4 18,5 0,82 3,08 1,63 1,89 0,12 1,06 5,5

Натрий-силикатное сырье 74,7 - - - - - 25,3 - -

ного минерала — кварца. В виде небольших включений содержатся оксиды FeO, МпО, SrO, ВаО, Se2Oз. У ди-опсидового концентрата химический состав стабильный, содержание диопсида в нем достигает 80%.

В керамических массах, содержащих кварц-полевошпатовые отходы, в качестве глинистого компонента использовался суглинок Кубековского месторождения (Красноярский край), который в настоящее время применяется для производства кирпича. Основными глинистыми минералами суглинка являются монтмориллонит, каолинит и гидромусковит, их содержание примерно в равных количествах (табл. 1). Из неглинистых минералов присутствует кварц, полевой шпат и гематит (рис. 1, б).

В керамических массах на основе диопсида использовалась тугоплавкая глина Компановского месторождения. Ее глинообразующими минералами являются каолинит и монтмориллонит. На рентгеновских дифрактограммах отмечается присутствие кварца, полевого шпата в виде альбита и ортоклаза и в незначительном количестве оксида железа.

Для исследования влияния дисперсного состава кварц-полевошпатовых отходов и диопсида в керамических массах на процесс спекания формирование фазового состава изделий и их свойства, отходы брались как в исходном состоянии, так и после измельчения до размера зерен 140 и 63 мкм. Диопсидовый концентрат размалывался до прохода через сито с размером менее 0,075, 0,15, 0,315 и 0,515 мм. Суглинок и глина после сушки измельчались в шаровой мельнице до остатка на сите 0,063 не более 5%. Кварц-полевошпатовые отходы вводились в суглинок в количестве 10 и 20%. В керамических массах с использованием диопсида содержание диопсидового концентрата изменяли от 75 до 85%. Из подготовленных керамических масс с влажностью

Таблица 2

Гранулометрический состав кварц-полевошпатовых отходов

Размер сит, мм

0,8 0,8-0,5 0,5-0,1 0,1-0,05 0,05

2,99 7,6 59,77 15,8 13

10—12% формовались образцы диаметром 20 мм, высотой 20 мм при давлении 20 МПа.

Обжиг образцов из массы с использованием кварц-полевошпатовых отходов производили в силитовой печи при температуре 800—11500С с интервалом 50°С и выдержкой при конечной температуре 20 мин; из масс, содержащих диопсидовый концентрат, — при 800—1250°С. После обжига у образцов рассчитывали огневую усадку, водопоглощение, прочность при сжатии и делали рентгенофазовый анализ.

Данные физико-механических свойств образцов, изготовленных из массы с введением в суглинок 10% кварц-полевошпатовых отходов разной дисперсности (табл. 3), показывают, что с уменьшением размера зерен в составах у образцов, обожженных при оптимальной температуре (950—1100°С), снижается усадка, смещается начало спекания в область более низкой температуры и возрастает скорость увеличения прочности.

Наибольшая прочность достигается при введении кварц-полевошпатовых отходов дисперсностью 140 мкм. Это говорит о том, что дисперсность влияет на интенсивность протекающих физико-химических процессов, которые в свою очередь предопределяют свойства изделий. С увеличением содержания в керамических массах кварц-полевошпатовых отходов до 20% усадка образцов возрастает. В соответствии с уве-

- 1000

- 900

- 800

- 700 | 600 * 500 1

m

400 !

CD

300 J 200

- 100 0

- 1000

- 900

800

h 700 S s

- 600 ¡5

о

500 5

s

- 400 | 300 s 200

- 100 0

Рис. 1. Дифрактограммы исходного сырья: а - кварц-полевошпатовые отходы; б - суглинок Кубековского месторождения; к - кварц; о - ортоклаз; ж - оксид железа; а - альбит; м - монтмориллонит; с - карбонат кальция; ка - каолинит; гм - гидромусковит

б

а

к

к

55

50

45

35

30

40

25

55

50

45

40

35

30

25

fj научно-технический и производственный журнал

® август 2015 65

Таблица 3

Физико-механические свойства образцов с содержанием 10% кварц-полевошпатовых отходов разной дисперсности

Температура обжига, оС Усадка, % Водопоглощение, % Прочность при сжатии, МПа

без помола d=140 мкм d=63 мкм без помола d=140 мкм d=63 мкм без помола d=140 мкм d=63 мкм

800 -0,3 -0,4 -0,3 14 14,5 15 9 8,6 8

850 -0,5 -0,5 -0,5 14,5 14,9 15,5 12 9,4 10

900 -0,7 -0,9 -0,6 14,8 15,4 16,2 13 7,6 11

950 -1,2 -0,8 -0,6 16 15,1 16,2 9,5 8,9 11,5

1000 -1,5 -0,8 -0,9 16 15 16,2 9,6 10,3 11,5

1050 -1,8 -0,4 -1 16 14,2 16,2 10,2 16,8 15

1100 -1,4 3,6 -0,5 16 4,7 15,5 16 65,8 22

1150 1,4 1,7 2,5 11 1,26 4 44 80,3 90

1000

S

800

600

400

200

1 . ---

- 2__.

1—- ■ , 4

N.

800 850 900 950 1000 105 0 Температура обжига, °С

1100 1150

1

1

'

- J 3 Ч \

5 ^

6 ■ X , -V-T 1

Рис. 2. Изменение интенсивности линий минералов рентгеновских дифракционных максимумов от температуры обжига образцов из керамической массы, содержащей 10% кварц-полевошпатовых отходов различной дисперсности: 1 - кварц (без помола); 2 - кварц ^=0,063 мм); 3 - ортоклаз (без помола); 4 - ортоклаз ^=0,063 мм); 5 - альбит (без помола); 6 - альбит ^=0,063 мм)

личением усадки уменьшается водопоглощение и повышается прочность.

При изучении рентгеновских дифрактограмм, снятых с керамических образцов из массы с содержанием 10% кварц-полевошпатовых отходов, которые предварительно не размалывались (основную дисперсность представляют зерна d=315 мкм), установлено, что интенсивности линий дифракционных максимумов альбита начинают уменьшаться с 800оС. С повышением температуры скорость плавления равномерно увеличивается и при 1150оС его линии интенсивности исчезают. Ортоклаз начинает плавиться с 1000оС и продолжает равномерно убывать с повышением температуры до 1150оС. При 1150оС интенсивность его линий дифракционных максимумов выражены слабо. При введении в суглинок 10% кварц-полевошпатовых отходов после помола до прохода через сито 0,063 в результате обжига образцов по такому же режиму на рентгенограммах медленное снижение интенсивности линий альбита также отмечается с 800оС, но с 1000оС скорость его плавления значительно возрастает. При 1050оС на рентгенограммах альбит не фиксируется (рис. 2). Интенсивности линий дифракционных максимумов ортоклаза медленно уменьшаются с 900оС, а быстро — с 1050оС.

При рассмотрении в целом поведения всех минералов керамической массы с введением 10% кварц-полевошпатовых отходов с дисперсностью 63 мкм, видно (рис. 3), что распад карбоната кальция, присутствующего в керамической массе, начинается с 700оС и заканчивается при 900оС. В образующейся жидкой фазе за счет плавления альбита и ортоклаза и получен-

1000

800

g 600 л со s

§ 400

I-

л S

200 0

500 600 700 800 900 1000 1100 Температура обжига, °С Рис. 3. Изменение интенсивности линий минералов рентгеновских дифракционных максимумов от температуры обжига образцов из керамической массы, содержащей 10% кварц-полевошпатовых отходов дисперсностью 63 мкм: 1 - кварц; 2 - ортоклаз; 3 - альбит; 4 - анортит; 5 - CaCO3, 6 - Fe2O3

ного в результате распада карбоната кальция оксида кальция формируются кристаллы анортита, количество которого равномерно возрастает при повышении температуры до 1100оС.

Увеличение количественного содержания кварц-полевошпатовых отходов тонкой дисперсности в кера-

3

о

20

15

10

5

35

30

25

20 а.

15

10

5

75

150

225 300 375 Дисперсность, мкм

0

450 525 600

Рис 4. Изменение водопоглощения и предела прочности при сжатии образца, обожженного при 1000оС, содержащего 80% диопсидового концентрата, 15% натрий-силикатного стекла и 5% компановской глины, в зависимости от размера зерен диопсида: 1 - водопоглощение; 2 - предел прочности при сжатии

0

0

0

научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 66 август 2015 Ы ®

мических массах до 20% способствует еще большей интенсификации процесса образования жидкой фазы и формированию анортита, что обеспечивает повышение прочностных характеристик изделий.

Большую роль играет дисперсность непластичного сырья при получении облицовочных материалов в виде крупноразмерных керамических плит, когда необходимо уменьшить усадку, увеличить прочностные характеристики изделий и снизить температуру их обжига. В данном случае его минеральный состав образует основу кристаллической фазы керамического черепка. Одним из видов такого сырья может служить диопсидовое и волластонитовое сырье [8—9]. В керамических массах с использованием диопсидового концентрата, просеянного через сито с размером менее 0,075 мм, 0,15 мм,

0.315.мм и 0,515 мм — физико-механические свойства образцов после обжига при температуре 1000°С различны. С увеличением размера зерен возрастает водо-поглощение и уменьшается прочность (рис. 4). Наиболее высокие показатели у образцов состава, содержащего 80% диопсидового концентрата с дисперсностью 150 мкм, 15% натрий-силикатного стекла и 5% компа-новской глины. При этом прочность составляет 32,91 МПа, водопоглощение — 6,78%, усадка — 0,003%. Обжиг при 1100°С обеспечил прочность при сжатии 34,48 МПа, водопоглощение 6,16%, усадку 0,004%.

Список литературы

1. Развитие керамической промышленности России продолжается. XII Международная научно-практическая конференция КЕРАМТЭКС-2014 // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 4—9.

2. Семенов А.А. Рынок керамических стеновых материалов: итоги 2014 и прогноз на 2015 год // Строительные материалы. 2015. № 4. С. 3—5.

3. Гурьева В.А., Прокофьева В.В. Структурно-фазовые особенности керамики на основе техногенного магнезиального сырья и низкосортных глин // Строительные материалы. 2014. № 4. С. 55—57.

4. Rajamannan B., Kalyana Sundaram C., Viruthagiri G., Shanmugan N. Effects of fly ash addition on the mechanical and ather properties of ceramic // International Journal of Latest Research in Science and Technology. 2013. Vol. 2, Issue 1. P. 486-491.

5. Бурученко А.Е., Мушарапова С.И. Строительная керамика с использованием суглинков и отходов алюминиевого производства // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 28-33.

6. Ильина Л.В., Бердов Г.И., Гичко Н.О., Теплов А.Н. Изменение механической прочности и структуры портладцементного камня при введении дисперсных минеральных наполнителей // Известия вузов. Строительство. 2014. № 4. С. 38-44.

7. Столбоушкин А.Ю., Бердов Г.И., Столбоушкина О.В., Злобин В.И. Влияние температуры обжига на формирование структуры керамических стеновых материалов из тонкодисперсных отходов обогащения железных руд // Известия вузов. Строительство. 2014. № 1. С. 33-42.

8. Верещагин В.И., Меньшикова В.К., Бурученко А.Е., Могилевская Н.В. Керамические материалы на основе диопсида // Стекло и керамика. 2010. № 11. С. 13-16.

9. Столбоушкин А.Ю. Влияние добавки волластонита на формирование структуры стеновых материалов из техногенного и природного сырья // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 13-17.

Рентгено-фазовый анализ и микроскопические исследования образцов после обжига показали, что такие высокие показатели достигнуты за счет определенной дисперсности диопсидового концентрата, когда при плавлении силиката натрия и его взаимодействии с продуктами разложения глины обеспечивается жидкая фаза, которая пронизывается кристаллами диопсида.

Таким образом, проведенные исследования показали, что дисперсность непластичных компонентов керамических масс влияет на интенсивность протекающих физико-химических процессов при обжиге, которые предопределяют свойства изделий:

— с уменьшением дисперсности кварц-полевошпатовых отходов, вводимых в керамические массы, снижается огневая усадка образцов керамики, оптимальная температура обжига смещается в область более низкой температуры и возрастает прочность;

— наиболее благоприятный фазовый состав, обусловливающий высокие прочностные показатели, формируется в процессе спекания, когда дисперсность кварц-полевошпатовых отходов составляет 140 мкм;

— диопсидовый концентрат с дисперсностью 150 мкм в составе керамических масс позволяет получить безусадочные строительные материалы с высокими прочностными характеристиками при более низких температурах обжига.

References

1. Development of Ceramic Industry of Russia Proceeds. The XII International Scientific and Practical Conference KERAMTEX-2014 Was Held in Rostov-on-Don (Information). Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 8, pp. 4-9. (In Russian).

2. Semyonov A.A. Ceramic Wall Materials Market: Results of 2014 and Forecast for 2015. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2015. No. 4, pp. 3-5. (In Russian).

3. Gur'eva V.A., Prokofeva V.V. Structural and phase characteristics of building ceramics based of industrial magnesium raw materials and low-grade clay. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 4, pp. 55-57. (In Russian).

4. Rajamannan B., Kalyana Sundaram C., Viruthagiri G., Shanmugan N. Effects of fly ash addition on the mechanical and ather properties of ceramic. International Journal of Latest Research in Science and Technology.

2013. Vol. 2, Issue 1, pp. 486-491.

5. Buruchenko A.E., Musharapova S.I. Building Ceramics with the Use of Loams and Waste of Aluminum Production. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 12, pp. 28-33. (In Russian).

6. Ilina L.V., Berdov G.I., Gichko N.O., Teplov A.N. Changing structure and mechanical strength portland cement stones when introducing complex dispersive mineral fillers. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo. 2014. No. 4, pp. 38-44. (In Russian).

7. Stolboushkin A.Yu., Berdov G.I., Stolboushkina O.V., Zlobin V.I. Firing temperature impact on structure forming in ceramic wall materials produced of fine dispersed iron ore enrichment wastes. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo.

2014. No. 1, pp. 33-42. (In Russian).

8. Vereshchagin V. I., Men'shikova V. K., Buruchenko A. E., Mogilevskaya N. V. Diopside-based ceramic materials. Steklo i keramika. 2010. No. 11, pp. 13-16. (In Russian).

9. Stolboushkin A.Yu. Influence of the wollastonite additive on the structure of wall ceramic materials from techno-genic and natural resources. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 8, pp. 13-17. (In Russian).

научно-технический и производственный журнал

август 2015

67