CC BY
69
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ CONSTRUCTION MATERIALS. CONSTRUCTION AND INSTALLATION WORKS
УДК 666.9+666.9.015.2+691.27
ВЛИЯНИЕ КАРБОНАТНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД НА СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Кара-Сал Б.К., Хуурак Э.М. Тувинский государственный университет, Кызыл
THE INFLUENCE OF CARBONATE COMPONENTS OF CLAY ROCKS ON THE PROPERTIES OF CERAMIC PRODUCTS
Kara-Sal B. K, Khuurak E. M.
Tuvan state University, Kyzyl
Выявлено содержание карбонатных включений в глинистых породах Тувы. Установлено, что отрицательные влияния карбонатов на свойства обожженного черепка зависит от спекаемости исходной глинистой породы.
Ключевые слова: глинистая порода, суглинок, карбонаты, керамические изделия, обжиг, свойства.
The content of carbonate inclusions in Tuva clay rocks was revealed. It was found that the negative effect of carbonates on the properties of the burnt cuttings from the sintering of the original clay rock.
Key words: clay rock, loam, carbonate, ceramic products, roasting, properties.
Качество керамических стеновых материалов зависит от вещественного состава применяемых глинистых пород и добавок. Важное значение имеет присутствие в керамической массе легкоплавких щелочных компонентов, которые в процессе обжига образуют низкотемпературные расплавы способные соединять более тугоплавких составляющих, тем самым повышая прочность обожженных изделий.
В то же время в глинистых породах присутствуют компоненты, которые после обжига претерпевают модификационные превращения, что изменяет однородность и структуру материала, снижает эксплуатационные характеристики вплоть до разрушения.
К числу таких компонентов глинистых пород относятся карбонатные включения, которые в обожженных керамических материалах вызывают дутикообразование (рваные вздутии) на поверхности.
Учитывая то обстоятельство, что во многих регионах для производства керамических стеновых материалов применяют местные низкосортные глинистые породы, которые содержат в значительном количестве вредные примеси, то весьма актуальной является выявление влияния карбонатных включений на спекание
керамических масс и разработка технологических способов, исключающих вредное воздействие продуктов на указанные компоненты.
Целью данной работы является изучение состояния карбонатов в глинистых породах при термической обработке и их влияние на состояние обожженных изделий.
В качестве объектов исследования выбраны глинистые породы трех крупных месторождений Тувы: Пий-Хемское, Сукпакское и Красно-Ярское. Все эксплуатируемые месторождения и их сырье применяется для производства кирпича.
Изучение химического состава глинистых пород представленного в таблице 1 показало, что они отличаются высоким содержанием железистых соединений и щелочноземельных оксидов, что свидетельствует о наличии карбонатов в объектах исследования. При этом глинистые породы Сукпакского, Красно-Ярского и Пий-Хемского месторождений содержат 7,51; 8,63; 4,67 оксидов кальция и магния.
Как известно, основой карбонатов являются оксиды кальция и магния. Содержание тугоплавких составляющих ^Ю2 и Al2Oз) в глинистых породах в пределах 67-76%, что характерно легкоплавкому керамическому сырью. Присутствие щелочных оксидов (^ и Na2O), которые активно влияют на спекаемость керамических масс, оценивается как незначительное.
Таблица 1
Химический состав глин и суглинка, в ^масс.%
№ Наименование ЗЮ2 ^2 ТО2 Fe2Oз CaO MgO Na2O SOз п.п.п
1. Красно-Ярская глина 56,63 15,13 0,97 6,3 5,78 2,85 1,08 1,25 0,87 8,35
2. Сукпакская глина 54,54 13,64 0,81 6,22 7,09 0,42 1,8 1,61 0,18 9,18
3. Пий-Хемский суглинок 62,72 14,05 0,24 4,71 2,94 1,73 1,03 0,75 0,80 10,47
Основным породообразующим минералом в исследованных глинистых породах является монтмориллонит, который отличается с малым размером частиц (0,1-1,0 мкм) и повышенным содержанием химически связанной воды (8-10%). Содержание монтмориллонита в глинистых породах Пий-Хемского, Красно-Ярского и Сукпакского месторождений 12-16; 22-27, что соответственно 31-36%. Вид глинистых пород определяется по содержанию глинистых частиц, и сырье Красно-Ярского и Сукпакского месторождений относятся к глинам, где содержание глинистых частиц менее 25%.
По важной технологической характеристике - пластичностью, Пий-Хемский суглинок относится к малопластичному сырью, а Красно-Ярская и Сукпакские глины являются умеренно и среднепластичными. Малопластичность Пий-Хемского суглинка связано с недостаточным содержанием глинистых частиц, которые при смешивании с водой образуют вязкопластичную связку, соединяющую все твердые зерна массы.
При выполнении работы принята следующая методика. Высушенные пробы глинистых пород измельчены в щековой дробилке и просеяны через сито с размерами частиц 0,63мм. Для определения наличия и содержания карбонатных включений пробы глинистых пород обработаны раствором соляной кислоты и исследованы колометрическим способом.
Для выявления влияния карбонатов на свойства керамических изделий из пластических масс (влажностью 18-20%) на основе исследованных глинистых пород изготовлены образцы-цилиндрики высотой и диаметром 30мм.
Высушенные образцы обжигались при температурах 900, 1000, 1050 и 1100°С. Затем определены такие физико-химические свойства, как объемная масса, усадка, водопоглащение и прочность при сжатии. Для выявления влияния продуктов разложения карбонатов при обжиге, образцы увлажнены и визуально исследованы на процессе дутикообразования в течении длительного срока.
Результаты обработки проб глинистых пород раствором соляной кислоты показали, что по степени интенсивности реакции кипения, исследованные сырьевые материалы следует расположить по следующей последовательности: сукпакская, красно-ярская глина и пий-хемский суглинок.
Количественное определение содержания карбонатов в глинистых породах показало, что их в сукпаксой, красно-ярской глинах и пий-хемском суглинке 9-10; 7-8 и 5-6% соответственно.
При этом выявлено, что карбонаты в исследованных глинистых породах присутствуют в виде крупных включений с размерами 1 -5мм и тонких прослоек между глинистыми минералами, что установлено микроскопическим способом.
Изучение влияния карбонатных включений на свойства обожженных керамических изделий показало, что их отрицательное воздействие на структуру и эксплуатационные характеристики зависит от степени спекаемости керамических масс. В результате анализа физико-химических свойств обожженных образцов, приведенных в таблице 2, выявлены различные степени спекаемости изделий на основе исследованных глинистых пород.
Таблица 2
Физико-химические свойства образцов._
Наименование породы Температура обжига, °С Средняя плотность, г/см3 Огневая усадка, % Водопоглощение, % Предел прочности при сжатии, МПа
Сукпакская глина 900 1000 1050 1100 1,81 1,83 1,85 1,92 2.7 4.8 5,6 8.9 16,8 14,3 12,7 6,2 29.5 32,8 34.6 60,4
Красно-Ярская глина 900 1000 1050 1100 1,79 1,81 1,82 1,89 1,2 2,9 4,6 7,1 18,4 16,1 14,9 8,8 21.4 26,7 29,3 44.5
Пий-Хемский суглинок 900 1000 1050 1100 1,56 1.58 1.59 1,74 0,7 1,1 1,3 4,8 23,2 21,4 20,1 13,8 7,4 9,8 11,0 32,1
Как видно из таблицы 2, с повышением температуры обжига постоянно увеличивается средняя плотность и огневая усадка образцов, что свидетельствует о постоянном уплотнении изделий в результате спекания керамических масс. Выявлено, что обожженный при температуре 900°С черепок на основе пий-хемского суглинка является более легким и имеет среднюю плотность 1,56ч/см3, а образцы на основе красно-ярской и сукпакской глины 1,79 и 1,81 г/см3 соответственно. После обжига при 1100°С средняя плотность образцов увеличивается до 1,74; 1,89 и 1,92 г/см3 соответственно. Выявлено, что максимальную величину усадки 8,9% при 1100°С имеют образцы на основе сукпакской глины, а их аналоги из красно-ярской глины и пий-хемкого суглинка - 7,1 и 4,8 % соответственно. Это свидетельствует о повышенной степени спекаемости керамической массы на основе сукпакской и красно-ярской глин, чем пий-хемского суглинка.
В результате повышенной спекаемости сукпакской глины, образцы на ее основе имеют более низкое водопоглощение и высокую прочность. Установлено, что после обжига при 1000°С образцы на основе сукпакской глины имеют водопоглащение 14,3%, что меньше, чем в случае образцов из красно-ярской глины (16,1%) и пий-хемского суглинка (21,4%).
Соответственно изделия на основе сукпакской глины отличаются повышенной прочностью при одной и той же температуре. Выявлено, что прочность образцов на основе сукпакской глины после обжига при 1100°С равна 60,4МПа, а их аналоги из красно-ярской глины и пий-хемского суглинка имеют прочность 44,5 и 32,1 МПа соответственно. Это подтверждает повышенную степень спекаемости керамической массы на основе сукпакской глины и малоспекаемости изделий из пий-хемского суглинка.
Интенсивное спекание керамической массы на основе сукпакской глины связано с химическим составом сырья, где присутствуют в значительном количестве щелочные оксиды (более 5%), что способствует образованию и в большом объеме жидкого расплава, который заполняет межзерновые пустоты и склеивает твердые тугоплавкие частицы шихты. В результате изделия уплотняются, уменьшается водопоглощение образцов и повышается их прочность. Соответственно формируется плотная структура обожженных изделий с повышенной прочностью.
Исследование влияния карбонатных включений на свойства обожженных изделий показало их воздействие на структуру, и физико-механические характеристики изделий зависит от степени спекания керамических масс. Как известно, отрицательное воздействие карбонатов после обжига на керамические изделия заключается в их разложении при 800-1000°С с образованием свободного оксида кальция, который поглощая влагу из окружающего воздуха, гидратируется (гасится) с увеличением объема, что приводит к возникновении растягивающих напряжений в стенках пор. В тех местах обожженного материала, где присутствуют частицы оксида кальция (особенно на поверхности), в результате гашения образуются рваные вздутия (дутики) белого цвета. С увеличением объема, частицы гидроксида кальция (продукт гашения) заполняют внутренние поры и пустоты черепка. При
недостаточном объеме пор и низкой прочности (сила связи между твердых частиц) черенка, от растягивающих напряжений керамический материал разрушается.
В ходе исследования выявлено, что после месячного хранения на поверхности образцов на основе всех глинистых пород, обожженных при 900,1000 и 1050°С образуются белые дутики, что показано на рис.1 и свидетельствует о гидратации частиц оксида кальция, находящихся в поверхностных слоях изделий.
Установлено, что через 2 месяца поверхностные слои образцов из пий-хемского суглинка в результате гашения частиц оксида кальция разрушились, а образцы на основе сукпакской и красно-ярской глин не разрушились. Разрушение образцов из пий-хемского суглинка связано с недостаточной прочностью черепка. Несмотря на повышенное содержание карбонатов в красно-ярской и сукпакской глин, образцы на их основе не подвергнуты к разрушению, что свидетельствует о высокой прочности изделий при одинаковой температуре обжига. Изделия из указанных глинистых пород на поверхности имеют белые точки (дутики), что в определенной мере портит внешний вид.
Таким образом, карбонатные включения в глинистых породах при обжиге образуют оксид кальция, который в результате гидратации увеличивается в объеме, что вызывает на поверхности обожженных керамических изделий белые рваные вздутии, портившие внешний вид изделий. При недостаточной прочности обожженного материала наступает разрушение поверхностного слоя. Керамические изделия на основе интенсивно спекаемых глинистых пород за счет повышенной прочности объема внутренних пор и пустот выдерживают отрицательное воздействие продуктов разложения карбонатов при обжиге.
Рис.1. Образование белых дутиков на поверхности образцов из пий-хемского суглинка, обожженных при температуре 900°С.
Рис.2. Разрушение поверхностных слоев обожженных образцов при температуре 900°С в результате гашение СаО, (через 2 месяца)
Библиографический список
1. Кара-Сал Б.К. Использование глинистых пород Тувы для производства керамических изделий/ Строительные материалы, 2003. № 9. С. 43-45.
2. Кара-Сал Б.К. Химико-минералогические особенности местных глин и суглинков Тувы. //Сборник научных трудов Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН. Кызыл. 2002. с. 100-1100.
3. Практикум по технологии керамики / Под ред. Гузмана И.Я. М.: РИФ Стройматериал. 2005. 336 с.
Bibliograficheskij spisok
1. Kara-Sal B. K. Ispolzovanie glinistykh porod Tuvy dlya proizvodstva keramicheskikh izdelij/ Stroitelnye materialy. 2003. № 9. S. 43-45.
2. Kara-Sal B. K. Khimiko-mineralogicheskie osobennosti mestnykh glin i suglinkov tuvy. //Sbornik nauchnykh trudov Tuvinskogo instituta kompleksnogo osvoeniya prirodnykh resursov so ran. Kyzyl. 2002. S. 100-1100.
3. Praktikum po tekhnologii keramiki / Pod red. Guzmana I.Ya. M.: RIF Strojmaterial. 2005. 336 s.
Кара-сал Борис Комбуй-оолович - доктор технических наук, профессор кафедры промышленного и гражданского строительства Тувинского государственного университета, г. Кызыл, E-mail: cara-sal.bor@yande.ru.
Хуурак Элзеймаа Михайловна - аспирант Тувинского государственного университета, г. Кызыл, E-mail: elzej.xuurak@yandex.ru
Kara-sal Boris Kombuj-oolovich - doctor of Technical Sciences, Professor of «Industrial and civil construction» Department of the Tuvan State University, Kyzyl, E-mail: cara-sal. bor@yande.ru.
Hhuurak Elzejmaa Mihajlovna - postgraduate student of the Tuvan state University, Kyzyl, E-mail: elzej.xuurak@yandex.ru
