Использование глинистых пород Тувы для производства керамических изделий
Использование глинистых пород Тувы для производства керамических изделий
Для успешного развития промышленности строительных материалов Республики Тыва, в том числе керамического производства, важнейшее значение имеет изучение минерально-сырьевых ресурсов и выбор путей наиболее эффективного их использования.
В настоящее время регион не обладает развитой инфраструктурой строй индустрии, испытывает постоянный дефицит в керамических изделиях (кирпич, камни и керамические плитки).
На территории Республики Тыва имеется несколько крупных месторождений глин и суглинков, которые имеют промышленный запас.
На кафедре строительства Тывинского государственного университета проведен комплекс работ по изучению возможности использования местных глинистых пород для производства различных видов керамических изделий. Всесторонняя оценка глинистого сырья предполагает определение химического, минералогического и гранулометрического составов, технологических характеристик и физико-механических свойств, полученных керамических изделий.
В табл. 1 приведен химический состав глинистых пород Тувы.
| Глинистые породы |
SiO2 |
AI2O3 |
TiO2 | Fe2O3 |
СаО | MgO |
К2О | Na2O |
SO3 |
п.п.п |
Тогн С |
| Глины |
| Онгар-ховунская |
55,15 |
16,48 |
0,89 |
5,01 |
5,54 |
2,9 |
2,18 |
1,24 |
0,64 |
9,62 |
1195 |
| Красноярская |
56,63 |
15,13 |
0,97 |
6,31 |
5,78 |
2,85 |
1,08 |
1,25 |
0,87 |
8,35 |
1205 |
| Сукпакская |
54,54 |
13,64 |
0,8 |
6,22 |
7,09 |
0,4 |
1,8 |
1,6 |
0,18 |
9,18 |
12,15 |
| Шеминская |
61,22 |
18,24 |
1,03 |
7,68 |
0,6 |
2,58 |
2,16 |
1,55 |
0,08 |
4,65 |
1200 |
| Улуг-ховунская |
56,89 |
16,7 |
0,82 |
6,24 |
3,41 |
3 |
2,12 |
0,91 |
0,6 |
6,35 |
1220 |
| Шуйская |
54,02 |
16,67 |
0,97 |
8,26 |
3,9 |
3,21 |
2,01 |
0,85 |
0,14 |
6,57 |
1205 |
| Суглинки |
| Бий-хемский |
62,72 |
14,05 |
0,24 |
4,73 |
2,92 |
1,73 |
1,03 |
0,74 |
0,28 |
3,47 |
1250 |
| Шагонарский |
59,52 |
14,63 |
0,69 |
7,1 |
5,05 |
2,52 |
0,64 |
1,02 |
0,45 |
8,1 |
1240 |
| Чаданский |
62,49 |
17,82 |
0,52 |
5,21 |
1,37 |
2,64 |
1,94 |
1,07 |
0,29 |
6,02 |
1235 |
По содержанию Аl2О3 местные глины и суглинки относятся к полукислым (менее 20%). Для местного керамического сырья характерно высокое содержание железистых соединений (Fe2O3 более 4%). Кроме того, тувинские глины и суглинки отличаются значительным содержанием щелочно-земельных оксидов СаО и MgO, в то же время наиболее ценные щелочные оксиды (К2О и Na2O) для спекания черепка присутствуют в незначительном количестве (до 4%).
По содержанию отдельных компонентов химического состава можно выявить некоторые особенности минералогического состава и свойств глинистых пород. Например, содержание Аl2О3 и низкая температура огнеупорности (менее 1350°С) указывают на преимущество наличия легкоплавких минералов. Это хорошо согласуется с результатами термического и рентгеновского анализов. Установлено, что по минералогическому составу тувинские глины и суглинки делятся на монт-мориллонитовые и гидрослюдистые.
К монтмориллонитовой группе относятся онгар-ховунская, красноярская глины и бий-хемский, шагонарский суглинки. Керамическое сырье Западной Тувы - шеминская, улуг-ховунская, шуйская глины и чаданский суглинок содержат гидрослюду. Наряду с основными глинистыми минералами в местном керамическом сырье присутствуют кварц, полевой шпат и железистые соединения. При воздействии соляной кислоты карбонатные включения обнаружены в красноярской глине и шагонарском суглинке.
Более детальным изучением структуры глинистых минералов с помощью ядерной гамма-резонансной спектроскопии установлено, что монтмориллонит в местных глинистых породах присутствует с нарушенной структурой кристаллов, то есть имеются изоморфные замещения алюминия железом. Подтверждением этого является высокое содержание железа и ранний максимум кривых ДТА ниже 580°С, что характерно для железистых разновидностей монтмориллонита. Соответственно неупорядоченность основного глинообразую минерала влияет на технологические свойства сырья.
Анализ данных гранулометрического состава местного керамического сырья, приведенных в табл. 2, показывает, что высоким содержанием глинистых частиц отличаются породы месторождений Онгар-Хову, Красный Яр, Шеми и Шуи.
| Глинистые породы |
Глинистые частицы, % (менее 5 мкм) |
Пылеватые частицы, % (15-50 мкм) |
Песчаные частицы, % (50-100 мкм) |
Число пластичности |
Формовочная влажность, % |
| Глины |
| Онгар-ховунская |
44-56 |
28-36 |
16-18 |
16 |
18 |
| Красноярская |
26-35 |
36-48 |
16-24 |
14 |
17 |
| Шеминская |
38-49 |
24-30 |
16-24 |
15 |
17 |
| Улуг-ховунская |
31-43 |
29-38 |
20-28 |
14 |
16 |
| Шуйская |
38-56 |
28-36 |
9-16 |
16 |
18 |
| Суглинки |
| Бий-хемский |
14-22 |
46-54 |
26-35 |
8 |
16 |
| Сукпакский |
17-27 |
42-60 |
14-22 |
11 |
15 |
| Шагонарский |
14-24 |
20-28 |
40-48 |
11 |
15 |
| Чаданский |
19-28 |
27-40 |
26-38 |
10 |
15 |
Бедны глинистой фракцией бийхемский, шагонарский и чаданские суглинки. В данных породах преобладают пылеватые частицы, которые сильно снижают пластичность массы и вызывают технологические трудности при формовании изделий. Кроме того, именно эти породы сильно запесочены, в них содержание свободного кварца до 42%.
Содержание глинистых частиц хорошо согласуется с величиной числа пластичности. Более пластичные онгар-ховунская, шеминская и шуйская глины при приготовлении массы требуют больше воды и соответственно имеют высокую формовочную влажность. Соответственно именно из указанных глин получаются массы с хорошей формуемостью и при сушке не наблюдается деформаций и трещин, характерных для тощих и сухарных пород. В то же время онгар-ховунская и красноярская монтмориллонитовые глины, имея примерно одинаковое содержание глинистых частиц, как и шеминская и шуйская глины, отличаются повышенной формовочной влажностью. Это связано с вышеупомянутым нарушением структуры породообразующего минерала.
В целом гранулометрический состав местного керамического сырья характеризуется значительными колебаниями глинистых и непластичных частиц, при этом последние в основном преобладают. Тонкодисперсная фракция (менее 5 мкм) сложена в основном монтмориллонитом (50–60%) и гидрослюдой типа иллита (35–40%), тонкодисперсным кварцем (2–5%) и незначительной частью других минералов.
Определение химико-минералогических и фракционных особенностей позволяет прогнозировать поведение глинистой породы при ее технологической переработке. Влияние вещественного состава местных глин и суглинков на качество получаемых керамических изделий выявлено в результате изучения физико-механических свойств, которые представлены в табл. 3.
| Глинистые породы |
Температура обжига, °С |
Плотность, г/см3 |
Объемная усадка, % |
Водопоглощение, % |
Предел прочности при сжатии, МПа |
| Глины |
| Красноярская |
700
800
900
1000
1100 |
1,74
1,79
1,86
1,89
1,99 |
1,5
2,6
4,1
6,5
12,6 |
18,7
17,8
16,6
14,5
10,1 |
21,2
24,8
29,7
36,8
47,1 |
| Шуйская |
700
800
900
1000
1100 |
1,89
1,92
1,97
2,05
2,1 |
2,2
4,9
7,3
11,2
14,4 |
17,3
15,3
12,8
8,8
4,9 |
23,2
29,6
37,9
43,7
63,8 |
| Шеминская |
700
800
900
1000
1100 |
1,88
1,92
1,98
2,06
2,12 |
2,4
5,1
7,8
11.7
14,8 |
16,8
13,9
12,3
8,6
3,9 |
24,6
30,1
37,2
44,7
72,3 |
| Суглинки |
| Бий-хемский |
700
800
900
1000
1100 |
1,73
1,79
1,85
1,89
1,98 |
1,7
2,7
3,9
6,2
11,9 |
19,2
18,7
17,1
13,2
11 |
18,7
23,7
28,5
35,3
44,7 |
| Сукпакский |
700
800
900
1000
1100 |
1,74
1,78
1,85
1,88
1,98 |
1,6
2,7
4
6,3
12,2 |
19,1
18,4
17
13,1
10,8 |
18,9
24,3
29,2
36,7
46,3 |
| Чаданский |
700
800
900
1000
1100 |
1,89
1,92
1,97
2,04
2,09 |
2
4,8
6,7
10,4
13,2 |
17,8
16,2
13,7
10,1
6,8 |
22,3
28,7
38,5
42,7
54,3 |
Из каждой группы глинистых пород (монтмориллонитовые и гидрослюдистые) выбраны наиболее характерные. Образцы-цилиндры диаметром и высотой 25 мм изготовлены из пластических масс.
В зависимости от химико-минералогических особенностей местные глины и суглинки после обжига имеют пористый и плотный черепок. Изделия с пористым черепком (водопоглощение более 5%) получаются на основе глин и суглинков монтмориллонитовой группы. Это прежде всего сырье Центральной Тувы - онгар-ховунская, красноярская глины и бий-хемский, сукпакский суглинки. Керамический обожженный материал на основе указанных глин и суглинков отличается легкостью и плотностью. Например, образцы красноярской глины после обжига при температуре 900°С имели плотность 1,86 г/см3, а образцы из шеминской гидрослюдистой глины показали 1,98 г/см3. Это связано с морфологической структурой минералов монтмориллонитовой группы, для которых характерна рыхлая пространственная структура с повышенным содержанием химически связанной воды.
Как следствие интенсивного спекания керамической массы величина усадки образцов на основе шуйской и шеминской глин значительно больше, чем объемное уменьшение образцов из монтмориллонитовых глин. Соответственно такую же зависимость имеет водопоглощение изделий. Если керамическое изделие с водопоглощением менее 5% на основе гидрослюдистых шеминской и шуйской глин получается после обжига при температуре 1100°С, то на основе местных монтмориллонитовых глин плотный черепок вообще не формируется. Это свидетельствует о том, что местные гидрослюдистые глины отличаются более широким интервалом спекания (в пределах 70–80°С), чем монтмориллонитовые глины (40–50°С).
Прочностные показатели образцов на основе местных глин и суглинков находятся в прямой зависимости от величины усадки. Анализ полученных данных показывает, что при одной и той же температуре обжига прочность образцов на основе гидрослюдистых глин и суглинков больше, чем прочность изделий из монтмориллонитового сырья. Если прочность образцов на основе глин обеих групп после обжига при 700–800°С имеет незначительную разность (10–15%), то после термической обработки при 1100°С наблюдается существенное увеличение прочности образцов из гидрослюдистых глин (превышение на 60–80%). Необходимо отметить, что максимальную прочность в пределах 63–72 МПа имели изделия на основе шуйской и шеминской глин.
Высокая прочность образцов из глин гидрослюдистой основы объясняется совершенно другим фазовым составом и структурой. Микроскопические исследования показали, что если в образцах онгар-ховунской глины после обжига при 1100°С стеклофаза фиксируется в виде отдельных скоплений, то в образцах шеминской глины стеклофаза распределена равномерно по всей площади. Кроме того, в последних образцах зона контакта стеклофазы с другими составляющими черепка неразличима, а в образцах онгар-ховунской глины контуры стеклофазы и кварца отчетливо видны. В фазовом составе образцов из шеминской глины, обожженных при 1100°С, наряду с стеклофазой, кварцем, остатками глинистых частиц присутствуют первичный муллит и железистые шпинели. Изучение микроструктуры полученных изделий показало, что образцы из онгар-ховунской глины, обожженные при 1000°С, имеют зерна неправильной формы, частицы разделены многочисленными крупными щелевидными порами. Структура характеризуется высокой общей и открытой пористостью.
Доля закрытой пористости незначительна. Совершенно другую структуру имеют образцы из гидрослюдистой шеминской глины после обжига при той же температуре. Между плотно спекшимися частицами имеются закрытые мелкие и крупные поры, все они в основном изолированы и однородны.
Анализируя результаты выполненной работы, следует отметить, что существующие предприятия по выпуску керамических изделий (сезонные кирпичные цеха в городах Туран, Шагонар, Чадан и ныне действующий Кызылский кирпичный завод) работают на сырье с низким качеством. Более качественное керамическое сырье - онгар-ховунская, красноярская, шеминская и шуйская глины практически не используются.
В результате всестороннего исследования керамического сырья Тувы установлено, что местные глинистые породы монтмориллонитовой основы необходимо использовать для производства изделий пористого черепка (кирпич, керамический камень, пенокерамика). Производство керамических изделий плотного черепка следует организовать на базе сырья, содержащего гидрослюдистые минералы.
В рамках разработки целевых программ по созданию новых предприятий строй индустрии регионов России при выборе глинистого сырья для производства конкретных видов керамических изделий необходимо руководствоваться комплексной оценкой состава, структуры и свойств исходных пород, знание которых позволит определить наиболее оптимальные технологии и получить изделия необходимого качества
|
|
|
