CC BY
27
УДК 691.32
Р. З. Рахимов, А. Р. Гайфуллин, Н. Р. Рахимов, О. В. Стоянов
РАЗМАЛЫВАЕМОСТЬ ПРОКАЛЕННЫХ ГЛИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ СОСТАВА
И ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМООБРАБОТКИ
Ключевые слова: глина, состав, термоактивация, помол, продолжительность, удельная поверхность.
Исследована зависимость размалываемости до удельной поверхности 250, 500 и 800 м2/кг термоактивированных глин в зависимости от их химического, минерального и гранулометрического состава и температуры прокаливания от 400 до 800 оС.
Keywords: clay, composition, grinding, duration, specific surface area.
The influence of the chemical, mineralogical and granulometric composition and temperature of calcination at 400 -800 ° C on grindability up to 250, 500 and 800 m2 / kg, of different clays is studied in this researeh.
Введение
Во многих отраслях широко применяется наполнители из глинистых материалов, в частности, при производстве: бумаги, красок, клеев, керамики, резины, линолеума и др. [1]. Тонкодисперсная обожжённая глина с древних времен применялась как пуццолановая добавка в известковых растворах и бетонах с целью повышения их прочности и водостойкости [2]. Со временем обожженая глина в виде цемянки, глинита, горелых пород, керамзитовой пыли стала применяться с этой же целью в цементные композиты [3,4]. За последние десятилетия получило распространение
исследования и применение в качестве эффективной пуццолановой добавки метакаолина (МК) [5-9], получаемого прокаливанием каолиновых глин при температуре 600^700°С. Однако каолиновые глины с высоким содержанием каолинита имеют ограниченное распространение месторождений, в связи с этим и каолин и метакаолин являются относительно дорогостоящими материалами. В последнее время в связи с этим возобновились исследования пуццолановой активности и применения обычных, повсеместно
распространенных полиминеральных
термоактивированных глин [10-14]. Исследования в этом направлении интенсивно проводились в СССР в начале 40-ых годов ХХ века, а американская фирма «Eddyston Cement Corporation» в эти годы широко рекламировала как в США так и в Западной Европе «Новые гидравлические цементы», представляющие собой глинит-цемент и портландцемент с добавкой прокаленной глины [15]. Выявлено, что отдельные
термоактивированные глинистые минералы
повысили степень гидратации цемента в большей степени, чем метакаолин [10], а из 207 разновидностей глин различных регионов СССР, только 11% оказались непригодными для получения продукта с достаточной гидравлической активностью [15].
Авторами настоящей статьи проведены систематические исследования пуццолановых
свойств термоактивированных при различных температурах и молотых до различной удельной поверхности отдельных разновидностей каолиновых и распространенных полиминеральных глин. В настоящей статье приводятся результаты исследований размалываемости прокаленных при различных температурах глин различных составов.
Материалы и методы исследований
В качестве объектов исследований приняты глины следующих месторождений:
- Ново-Орская (НОГ)- месторождения в Оренбургской области;
- Нижне-Увельская (НУГ) -месторождения в Челябинской области;
- Арская (АГ) - месторождения Республики Татарстан;
- Сарай-Чекурчинская (СЧГ) -месторождения Республики Татарстан;
- Кощаковская (КГ) - месторождения Республики Татарстан.
В таблицах 1-3 приведены минеральный, химический, гранулометрические составы, принятых при исследованиях глин.
Прокаливание глин производили при 400°С, 600°С и 800°С со скоростью подогрева ~ 3°С/мин и изотермической выдержкой при максимальной температуре в течение 3 часов.
Прокаленные глины подвергались помолу в планетарной лабораторной мельнице МПЛ - 1 до удельной поверхности 250, 500 и 800 м2/кг. Тонкость помола прокаленных глин определялась с использованием прибора ПСХ - 9.
Результаты и обсуждение
В таблице 4 и на рисунке 1 приведены результаты исследований продолжительности помола до различной удельной поверхности прокаленных при температуре 400°С глин.
Таблица 1 - Химический состав принятых при исследовании глин*
Разн Содержание в % на абсолютную сухую навеску
№ п/ п овид ност ь глин Н2О SiO2 TiO 2 AI2O3 Fe2O3 MnO CaO MgO Na2O K2O P2O5 SO3/ S ппп сумм а
1 НОГ 0.81 69.18 1.36 19.55 1.32 0.01 0.20 0.42 <0.3 0.92 0.10 <0.05 6.6 3 99.69
2 НУГ 0.66 66.79 0.98 20.71 1.63 0.04 0.62 0.41 <0.3 0.65 0.08 0.13 7.7 0 99.73
3 АГ 1.05 73.65 1.47 15.37 2.23 0.01 0.28 0.50 <0.3 0.55 <0.0 3 <0.05 5.6 3 99.67
4 СЧГ 3.41 68.52 0.86 13.42 6.18 0.10 1.33 1.66 1.20 1.82 0.09 <0.05 4.6 2 99.80
5 КГ 4.14 64.50 0.88 13.96 7.30 0.10 2.16 2.18 0.98 1.97 0.11 <0.05 5.6 6 99.80
количественный химический состав глин определялся с использованием ЛКЬ ОРТУМХ - спектрометра Таблица 2 - Минеральный состав принятых при исследовании глин*
№ п/п Разновидность глин Минеральный состав в %
Кварц Каолинит Иллит Слюда Ортоклаз Плагиоклаз Смешанно-слоистый глинистый минерал Хлорид
1 НОГ 41 51 8 - - - - -
2 НУГ 33 62 - 4 - 1 - -
3 АГ 47 40 13 - - - - -
4 СЧГ 28 - - 10 7 8 40 4
5 КГ 34 - 5 14 40 1
*В структуре иллита до 10% разбухающих слоев; смешанно-слойный разбухающий минерал имеет состав смешено-слоистый с содержанием неразбухающих слоев в СЧГ до 40%, в КГ до 20% расчет приведен на 100% кристаллической фазы без учета возможного содержания рентгеноаморфной составляющей. РФА глин проведен с использованием дифрактиометра D8 Advance фирмы Bruker
Таблица 3 - Гранулометрический состав принятых при исследовании глин
№ п/п Разновидность глин Фракции глин %
Глинистая <0.005 мм Пылеватая 0.005-0.05 мм Песчаная 0.05-1.0 мм
1 НОГ 61.3 24.5 14.2
2 НУГ 65 18.5 16.5
3 АГ 42.2 42.8 15.00
4 СЧГ 49.5 37.1 13.4
5 КГ 37.1 45.9 17.0
Таблица 4 - Продолжительность помола прокаленных глин до различной удельной поверхности
№ п/п Разно видн ость глин Продолжительность помола в секундах до удельной поверхности м2/кг
250 500 800
1 НОГ 5 10 25
2 НУГ 7 11 28
3 АГ 2 14 59
4 СЧГ 6 11 35
5 КГ 7 15 63
ВРЕМЯ ПОМОЛА, СЕК
Рис. 1 - Продолжительность помола прокаленных при 400 0С до различной удельной поверхности: ♦ - НОГ; ■ - НУГ; ▲ - АГ; х -СЧГ; - - КГ
В таблице 5 приведены данные по продолжительности помола до различной удельной поверхности глин, прокаленных при 600 0С и 800 0С.
Таблица 5 - Продолжительность помола до различной удельной поверхности глин, прокаленных при 600 0С и 800 0С
№ п/п Разно-ть глин Продолжительность помола глин в секундах до удельной поверхности, кг/м2 прокаленных при температуре
600 0С 800 0С
250 500 800 250 500 800
1 НОГ 6 11 28 7 12 37
2 НУГ 8 12 39 9 13 41
3 АГ 2 15 65 3 17 72
4 СЧГ 7 12 38 8 13 42
5 КГ 8 18 67 9 19 69
Анализ приведенных в таблицах 4 и 5 и на рис.1 результатов исследований показывают следующее:
- по мере повышения температуры прокаливания и тонкости помола у всех принятых при исследованиях глин наблюдается увеличение продолжительности помола;
- наименьшее время помола до 250 м2/кг требуется для Арской глины с температурой прокаливания от 400 0С до 800 0С;
- продолжительность помола до 250 м2/кг для остальных разновидностей глин увеличивается незначительно по мере повышения температуры прокаливания от 400 0С до 800 0С.
- продолжительность помола с увеличением удельной поверхности с 250 м2/кг до 500 м2/кг и 800 м2/кг возрастает соответственно: для Арской глины, прокаленной при 400 0С - 600 0С в 7 и 30 раз; прокаленной при 800 0С в 6 и 24 раза; для Кощаковской глины, прокаленной при температурах 400-800 0С, в 2 и 9 раз;
- наименьшее время для помола требуется для прокаленной Ново-Орской глины, кроме помола обоженной при 4000С Арской глины и молотой до 250 м2/кг;
- приблизительно равная продолжительность помола требуется для прокаленных Нижне-Увельской и Кощаковской глин,
- размалываемость каолиновых глин до 2-х раз выше, чем полиминеральных глин;
- повышенное содержание минералов кварца и полевых шпатов в связи с их относительно высокой твердостью по сравнению с другими глинистыми минералами приводит к снижению размалываемости полиминеральных глин;
- увеличение содержания более 60% глинистых фракций приводят к повышенной размалываемости глин;
- повышенное до 40% и более процентов содержание пылевидных фракций приводит к снижению размалываемости полиминеральных глин.
В монографии Р.Е. Грима [1] отмечается, что с повышением температуры прокаливания от 2000С до 700-9000С уменьшается удельная поверхность глинистых частиц за счет образования их агрегатов. Возможно, этим и объясняется увеличение продолжительности помола глин по мере увеличения температуры их прокаливания. Наименьшее время помола до 250 м2/кг прокаленной полиминеральной Арской глины связано с содержанием в их составе до 40% коалинита.
Заключение
Продолжительность помола прокаленных глин до определенной удельной поверхности определяет энергетические затраты на производство пуццоланов на их основе.
Размалываемость прокаленных глин зависит от химического, минерального и
гранулометрического состава глинистого сырья. В результате исследований установлено, что:
- размалываемость каолиновых глин в 2 раза выше, чем полиминеральных глин;
- повышенное содержание минералов кварца и полевых шпатов в связи с их относительно высокой твердостью по сравнению с другими глинистыми минералами приводит к снижению размалываемости полиминеральных глин;
- повышенное содержание более 60 % глинистых фракций приводит к повышенной размалываемости глин;
- повышенное до 40% и более содержание пылевидных фракций приводит к снижению размалываемости полиминеральных глин.
Литература
1. Grim P.E. Clay mineralogy.// Mc Graw - Hill series in geology//New York - London - Toronto - 1953.
2. Vitruvius M.(1936). Ten books on architecture (trans. G.A. Latin Petrovsky). Academy of Architecture, Moscow.
3. Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества, технология и свойства// Учебник, 3-е изд., перераб. и доп./ воспроизведение издания 1979г. - М.: ЭКОЛИТ, 2011,-480с.
4. Рахимов Р.З., Халлиулин М.И., Гайфуллин А.Р., Стоянов О. В. Керамзитовая пыль как активная добавка в минеральные вяжущие - состав и пуццолановые свойства// Вестник Казанского технологического университета, 2013- Т.16. N19 - с. 57-61.
5. Wild S., Khatib J. M. Portlandite consumption in metakaolin cement pastes and mortars// Cement and Concrete Research 27 (1997), 137.
6. Sabir B.B., Wild S., Bai I. Metakaolin and calcined clays as pozzolans for concrete: a review//Cement and Concrete Composites, 23 (2001), 44.
7. Тирони А., Тресса M., Сиан А., Ирассар Э.Ф. Термическая активация каолиновых глин// Цемент и его применение, 2012, N11-12. - с.145-148.
8. Badogiamies S., Kakali G., Tsivilis S. Metakaolin conversion // I. Therm, Anal. Cal 2005. Vol. 81. N2. -p.457-462.
9. Брыков А.С. Метакаолин// Цемент и его применение, 2012, N7-8, - с.36-41.
10. Femandoz R., Martirena F., Scrivener K.L. The origin of the pozzolanic activity of calcined clay minerals: A comparison between kaolinite, illite and montmorrilonite// Cement and Concrete Research, 41 (2011), 113-122.
11. He C., Osbaeck B., Makowsky E. Pozzolanic reaction of six principal clay minerals: Activation reactivity assessments and technological effect// Cement and Concrete Research, 25 (1995), 16-91.
12. Castello L.R., Henrandes H.I.F., Scrivener K.L., Antonic M. Evolution of calcined clay soils as supplementary cementations materials// Proccedings of a XIII Juternational
Congress of the chemistry of cement. Madrid : Justifuto deciencias dela Consfruction "Eduardo Torroja", 2011, p. 117
13. Глинит-цемент //Сборник статей ВНИЦ. Под ред. Аксенова В.И. Вып.11. Главн. ред. стр. лит М.-Л.:1935-171 С.
14. Hobert G., Choupay N., Escudeillas G.,Gillame D. et al. Clay content of argillities influence on cement based mortars//Applied Clay Science. 2009. Vol.43, n3-4, p. 322330.
© Р. З. Рахимов - д-р техн. наук, проф. КГАСУ, Rahimov@ksaba.ru; А. Р. Гайфуллин - канд. техн. наук, асс. КГАСУ, gaifi@list.ru; Н. Р. Рахимов - д-р техн. наук, проф. КГАСУ, rahimova.07@list.ru; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, ov_stoyanov@mail.ru.
© R. Z. Rakhimov - professor, Kazan State University of Architecture and Engineering, rahimov@ksaba.ru; A. R. Gayfullin -docent, Kazan State University of Architecture and Engineering, gaifi@list.ru; N. R. Rakhimov - professor, Kazan State University of Architecture and Engineering, rahimova.07@list.ru; O. V. Stoyanov - professor, Kazan National Research Technological University, Department of Plastics Technology, ov_stoyanov@mail.ru.
