CC BY
220
ОСОБЕННОСТИ ГЛИНИСТЫХ ОПОК КАК СЫРЬЯ для СТЕНОВОЙ КЕРАМИКИ
В.Д. Котляр, Д.И. Братский
РГСУ
Дана характеристика глинистых опок по вещественному составу и технологическим свойствам. Приведены свойства и технология производства изделий стеновой керамики на основе глинистых опок.
The article describes the the characteristic of clay flasks of material composition and technological properties. We present the properties and production technology products wall ceramics based on clay flasks.
В настоящее время актуальными задачами в области производства стеновой керамики являются: снижение энерго- и материалоемкости изготовления изделий, улучшение их теплотехнических свойств, ускорение технологического процесса, снижение производственных затрат, улучшение внешнего вида, расширение ассортимента выпускаемой продукции. Выполнение этих задач возможно лишь в случае использования высококачественного сырья. К сожалению, во многих регионах России, и особенно в Южном Федеральном Округе, запасы традиционного качественного глинистого сырья практически отсутствуют. В ЮФО в настоящее время, разрабатывается лишь одно месторождение глин, Владимировское, керамические свойства которого отвечают необходимым требованиям. Предприятиям приходится использовать глинистое сырье, обладающее неудовлетворительными керамическими свойствами - высокая чувствительность к сушке, большая воздушная усадка, наличие крупнозернистых карбонатных примесей, соединений серы, водорастворимых солей и т. д. Следствием этого является, то, что около 80 % выпускаемого керамического кирпича не удовлетворяет требованиям ГОСТ 530-2007 и весьма ограниченный выпуск лицевого кирпича.
Между тем, работы, проводимые на протяжении ряда последних лет в Ростовском государственном строительном университете, совместно с региональными геологическими организациями показали, что кремнистые опал-кристобалитовые породы -опоки и их разновидности (опоковидные породы), могут стать серьезной сырьевой базой промышленности стеновой керамики.
Опоки - лёгкие плотные тонкопористые породы, состоящие в основном из мельчайших (менее 0,005 мм) частиц кремнезёма. Средняя плотность составляет 11001600 кг/м3, пористость достигает 55 %. Постоянной составляющей опок являются глинистые минералы, присутствующие в том или ином количестве. Типичными или «нормальными» опоками по У.Г. Дистанову, являются опоки, содержащие 54-80 % опалового кремнезема, 10-40 % глинистых минералов и до 10 % песчанистых частиц, представленных в основном кварцем [1]. Гораздо более широкое распространение в природе имеют опоковидные породы - глинистые, карбонатные разности опок. Данные породы имеют широкое распространение в Западной Сибири, районах Поволжья и Дона, восточных и южных склонов Уральского хребта, в центральных и западных областях России, Ленинградской области, Дальнем Востоке, на о. Сахалин, на Камчат-
ке, Кольском полуострове, Северном Кавказе и в других районах. Проведя многочисленные изучения вещественного состава и лабораторно-технологические исследования, подтвержденные полузаводскими испытаниями, нами была разработана геолого-технологическая классификации опоковидных пород как сырья для производства стеновой керамики [2]. Исходя из этой классификации, по содержанию глинистого компонента выделяется три группы опок - опоки малоглинистые или опоки типичные, с содержанием глинистой составляющей 10-20 %, опоки среднеглинистые, с содержанием глинистой составляющей 20-35 % и опоки глинистые, содержащие глинистых минералов от 35 до 50 %. Для промышленности стеновой керамики большой интерес представляют среднеглинистые и глинистые разновидности опок. Этому благоприятствует ряд предпосылок - вполне удовлетворительные дообжиговые свойства сырья, относительно низкая температура обжига, высокие физико-механические показатели обожженных изделий и т. д. Месторождения опоковидных пород отличаются большой мощностью, выдержанностью состава, располагаются на непахотных землях. На юге России имеются разведанные месторождения и ряд крупных проявлений глинистых опок - Степан-Разинское, Авило-Федоровское, Алексеевское, Губское, Шедокское, Севастопольское, Каменоломненское и многие другие.
Регламентированных технических требований к сырьевым материалам для производства керамического кирпича нет. Ранее при изучении сырья для производства керамического кирпича руководствовались требованиями ОСТ 21-78-88 «Сырье глинистое (горные породы) для производства керамических кирпича и камней. Технические требования. Методы испытаний». Срок действия данного нормативного документа истек, но взамен не было разработано и утверждено другого регламентирующего документа.
Единых требований к качеству кремнистых пород - диатомитов, опок и трепелов не существует, каждая отрасль предъявляет к ним свои специфические требования. Как указывает Дистанов У.Г. для производства строительного кирпича и термо-лита желательно присутствие глинистого материала. Наиболее оптимальными в этом случае являются породы с содержанием активного кремнезема в пределах 40-70 %, глинистого материала (желательно монтмориллонитового и бейделлитового состава) -20-50 %, обломочного менее 10 %, карбонатного - не более 10-15 % [3]. Требования, которые предъявляются к кремнистым опоковидным породам обозначенные в «Методических рекомендациях по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Кремниевые породы» для производства легковесного кирпича носят общий характер и не отражают как возможностей сырья, так и современных возможностей технологии производства. Для опок, исходя из этого документа, вещественный состав должен соответствовать: опал > 30 %, глина > 20 %, песок < 25 %, карбонат < 10 %. Химический состав должен быть в пределах: БЮ2 общ. < 85 %, А1203 3-15 %, СаО < 7 %. Объёмная масса должна быть в пределах 0,9-1,2 г/см3 [4].
ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия» не предъявляет четких требований к сырьевым материалам для производства стеновой керамики. Согласно п. 5.4 данного нормативного документа «Глинистое сырьё, кремнеземистые породы (трепел, диатомит), лессы, промышленные отходы, золы и др.), минеральные и органические добавки, а также упаковочные материалы и средства транспортирования изделий (поддоны) должны соответствовать требованиям действующих нормативных и технических документов на них». Т. е. производить кирпич практически можно из любого, приемлемого для той или иной технологии, сырья.
Предприятие вправе выпускать продукцию по собственным разработанным техническим условиям и опять же из любого приемлемого сырья. Тем не менее, в данном нормативном документе, опоки и опоковидные породы не указываются как потенциальное сырье для производства керамического кирпича. Одной из причин этого является низкая технологическая изученность данного сырья, а также особенности свойств опок. Трепела и диатомиты, так же как и глины, хорошо размокают в воде, опоки являются не размокаемыми или трудноразмокаемыми (размокают при измельчении) [4]. В связи с этим при испытании опоковидных пород, как сырья для стеновой керамики, необходима своя методика, а также технологические схемы производства, разработанная с учетом свойств опок.
Принципиальной разницы в химическом составе между среднеглинистыми, глинистыми опоками и типичным глинистым сырьем для стеновой керамики - суглинками нет (табл. 1). В суглинках кремнезем в основном представлен кварцем, в опоках -опалом, опал-кристобалитом разной степени кристалличности.
Таблица 1 - Усредненный химический состав глинистых опок и суглинков
Породы П.п.п. БЮ2 Л12О3 Ре2О3 +ГеО СаО MgO БО3 общ. К2О Ш2О
Глинистые опоки 2,717,6 59,380,8 7,216,5 1,0-7,6 0,903,00 0,304,6 0,010,65 1,263,08 0,901,79
Суглинки 4,312,9 58,678,0 7,817,1 3,29,9 1,410,2 0,023,3 0,11,2 1,23,9 1,23,1
Глинистые минералы, содержащиеся в опоковидных породах, в результате процессов диагенеза и катагенеза (растворение, переотложение кремнезёма и частичная раскристаллизация) находятся в прочном контакте с опаловым кремнезёмом. Проявлять свои свойства, и, прежде всего, пластичность, глинистые минералы могут только при достаточном измельчении исходного сырья. Пластичность и связность формовочных масс на основе опок, зависит в свою очередь, от степени измельчения, количества и вида глинистых минералов, содержащихся в исходном сырье. Глинистая составляющая опоковидных пород представлена в основном гидрослюдами, смешанно-слойными образованиями и монтмориллонитом [1]. Это благоприятствует спеканию при обжиге опок.
Выделить и оценить количественно содержание глинистых минералов в кремнистых породах, а также их вид, является весьма трудной задачей. На практике этот показатель можно оценивать по содержанию Л12Оз, т. к. глинозем, содержащийся в кремнистых породах входит в состав глинистых минералов. Содержание глинозёма в различных видах глинистых минералов колеблется в широких пределах: в каолините и гидрослюдах его массовая доля может достигать почти 40 %, в минералах группы монтмориллонита не превышает 27 %. Учитывая, что для опоковидных пород характерны монтмориллонит-гидрослюдистая и гидрослюдисто-монтмориллонитовая глинистые ассоциации, умножая количественное содержание глинозема на 3-3,5, получим примерное количественное содержание глинистых минералов. По этому показателю к среднеглинистым относятся опоки с содержанием Л12О3 7-11 %, к глинистым опокам -более 11 %. Величина кремниевого модуля (Л12О3/БЮ2) для глин меняется в пределах 0,27-0,37. Наименьший он у монтмориллонита, наибольший у каолинита. По этому показателю можно определить количество кремнезема входящего в состав глинистых
минералов. Также косвенным показателем наличия гидрослюд в опоках, может быть определено по содержанию К20. Его массовая доля в гидрослюдах составляет около 10 %. Количество оксида калия, так же как и натрия, является показателем огнеупорности и интенсивности спекаемости. Более высокое содержание щелочных оксидов -температура обжига ниже.
Проведённые многочисленные лабораторные исследования и полузаводские испытания, показали, что для большинства глинистых опок наиболее приемлемым является полусухой способ прессования изделий и сухая (полусухая) подготовка пресс-порошка. Измельчение исходного сырья может производиться на шахтных мельницах, молотковых дробилках, дезинтеграторах. В зависимости от свойств сырья измельчение должно производиться до зернового состава 0 - 1-2,5 мм. Как показал опыт многочисленных полузаводских испытаний, весьма желательно, чтобы влажность измельчаемого сырья была такой, при которой исключается пыление. Для глинистых опок этот показатель составляет от 12 до 20 %. Формовочная влажность пресс-порошка находится в пределах от 10 до 20 % (по абсолютной влажности). Этот интервал влажности соответствует максимальной уплотняемости сырца, и соответственно, максимальной прочности, как сырцовых изделий, так и обожженных изделий. На рисунке 1 показана зависимость плотности прессовки в пересчете на твердую фазу, что является более информативным, от влажности пресс-порошка и давления прессования для типичной глинистой опоки Алексеевского месторождения (Ростовская область) измельченной до фракции 0-2,5 мм. Оптимум влажности обусловлен вещественным составом и структурными особенностями конкретного месторождения. Удельные давления прессования составляют от 10 до 30 МПа. Превышение этого интервала не приводит к заметному увеличению прочности, однако, резко увеличиваются риски появления дефектов прессования - перепрессовочных трещин. Обожженный черепок на основе опок обладает достаточно высокими прочностными показателями (рис. 2), что позволяет прогнозировать выпуск пустотелых изделий.
1,8
1,6
■а 2
1,4
1,2
0,8
0,6
15 20 25 30 35 Давление прессования, МПа
Рис. 1 Влияние давления прессования на плотность прессовок из порошка различной влажности
Рис. 2 Влияние давления прессования и влажности пресс-порошка на прочность обожженных образцов при температуре обжига 1000 0С
1
1,7
1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1
20 25 30 35 Давление прессования, МПа
Рис. 3 Влияние давления прессования и влажности пресс-порошка на плотность обожженных образцов при температуре обжига 1000 0С
Средняя плотность черепка на основе глинистых опок колеблется в пределах от 1500 до 1800 кг/м3, что несколько ниже, чем у черепка на основе глин. Уменьшение плотности черепка обуславливает и уменьшение теплопроводности. Водопоглощение от 12 до 22 % и обусловлено как свойствами исходного сырья, так и технологическими факторами. Кирпич со сквозными пустотами (пустотность 14-22 %) выдерживает 50 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Разработанные нами новые технологические схемы производства керамического кирпича на основе опоковидных пород подтверждены патентами на полезные модели. Также разработаны технические
условия: ТУ 5741-001-55519628-2009 «Кирпич прессованный из кремнистого опоко-видного сырья».
В настоящее время спроектирован и построен завод по производству керамического кирпича на основе опок. Осуществляется реконструкция нескольких существующих заводов по переводу их на новый вид сырья. Вовлечение в оборот опоковидных пород позволит существенно расширить сырьевую базу стеновой керамики.
Литература
1. Дистанов У.Г. Кремнистые породы СССР. - Татарское книжное издательство, 1976. - 412 с.
2. Котляр В.Д. Классификация кремнистых опоковидных пород как сырья для производства стеновой керамики // Строительные материалы. - 2009. - № 3. - с. 24-27.
3. Дистанов У.Г Ресурсы и перспективы использования кремнистого опал-кристобалитового сырья СССР. Сб. тр. ВНИИстром 55 (83): Пути повышения эффективности производства искусственных пористых заполнителей. - М.:1985. - 56 с.
4. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Кремниевые породы. - М.: 2007, Разработаны Федеральным государственным учреждением «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых» (ФГУ ГКЗ) по заказу Министерства природных ресурсов Российской Федерации. Утверждены распоряжением МПР России от 05.06.2007 г. № 37-р.
5. Ашмарин Г.Д. и др. Рекомендации по совершенствованию технологии производства керамического кирпича полусухого прессования. - М.:ВНИИстром им. П.П. Будникова, 1988. - 38 с.
Ключевые слова: кремнистые породы, опока, глинистая опока, керамический кирпич, прессование, пресс-порошок, прочность, плотность, технологическая схема, керамический черепок.
Keywords: siliceous rocks, flask, clay flask, ceramic brick, pressing, press powder, strength, density, flow chart, ceramic crock.
Рецензент: доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор кафедры технологии керамики, стекла и вяжущих веществ Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), г. Новочеркасск Зубехин А.П.
