Спекание, структура и свойства стеновой керамики из композиций глин с отходами керамзитового производства.

УДК 666.32.

Сулейменов Т., Сагындыков А.А., Туленбаев Ж.С., Шершат Д.

Таразский государственный университет им. М.Х. Дулати, Казахстан

Спекание, структура и свойства стеновой керамики из композиций глин с отходами керамзитового производства.

Современное производство строительных материалов ориентировано на решение проблемы импортозамещения, сокращения ввоза продукции извне, максимальное использование местного сырья и отходов промышленности [1-2].

Строительная индустрия жилья и других общественных зданий нуждается в эффективных строительных материалах (теплоизоляционных, долговечных, экологически – и пожаробезопасных материалах), а также в увеличении качества и ассортимента их выпуска. Одним из перспективных направлений для исследований является разработка технологии стеновой керамики из отходов керамзитового производства в виде отсева глинистых сланцев.

Для исследования процессов спекания содержание глинистых сланцев в составах композиции изменяли от 10 до 90 %. При этом охватываются как критические (25 - 42 %), так и наиболее вероятные (42 - 87,8%) интервалы содержания глинистых агрегатов, обуславливающих возможность получения прочных структур с ядром из непластичных силикатов, к которым относятся глинистые сланцы. Для получения частиц сланца с максимальными размерами 1,25 - 3,0 мм и преимущественными - 0,5 - 1 мм и глинистых агрегатов с размерами в границах 0,05 - 0,25 мм, установленные при моделировании структур как наиболее оптимальные, сланцы после предварительной сушки мололи до прохождения через сито с ячейкой 3 мм, а глины, суглинок, бентонитовая и каолинитовая глина-1 мм. После помола содержание оптимальных по размерам сланцевых и глинистых агрегатов составляют 47-50 и 62-65% соответственно (табл. 1). С учетом относительно высокого содержания оптимальных по размеру агрегатов после помола и с учетом последующего домола в процессе приготовления смеси, в том числе наиболее крупных и легко измельчаемых агрегатов сланца, предполагалось, что принятая подготовка сланца и глин будет приемлемой для прочных структур из их композиций.

Таблица 1. Гранулометрический состав сланца и смеси суглинка и глины после помола

Компонент	Содержание фракции, % мас, размером, мм						Модуль крупности
Компонент	>2,5	2,5-1,25	1,25-0,63	0,63-0,315	0,315-0,14	<0,14
Сланец	21,2	23,2	5,2	14,1	5,2	31,3	2,1
Глина	-	-	20,1	17,2	24,8	37,9	-

Спекание композиции смеси суглинка и глин с глинистыми сланцами проводили на образцах-цилиндрах диаметром и высотой 25мм. Смесь компонентов в заданном соотношении перемешивали и при 8-10% прессовали образцы под давлением 20-25 МПа. Сушка образцов производилась в радиационной сушилке при максимальной температуре 105°С в течении 1 ч, обжиг в муфельной печи в течении 3 ч при температуре 1100°С с изотермической выдержкой 0,3 ч.

При содержании связки из глин в количестве 40%, гарантирующем плотность упаковок, эффект спекания становится значительным и прочность образцов составляет 24,3-33,7 МПа. С увеличением количества глины в композициях выше 40% эффект спекания продолжает возрастать. При содержании глин в критических границах (25 - 40%) эффект спекания проявляется в меньшей мере и прочность образцов находится в пределах 20-25 МПа. При содержании глин менее 25% эффект спекания самый низкий и прочность образцов составляет 15-25МПа.

Спекаемость композиций глинистых сланцев с глинами находится в хорошем соответствии с прогнозом, сделанным на основании моделирования структур. При температурах обжига ниже (1000°С) эвтектические агрегаты из частиц сланца спекаются хуже, чем агрегаты из глинистых частиц. Поэтому спекание композиций из сланцев с глинами происходит за счет спекания глин. При этом высокая прочность образцов из композиций достигается при содержании глин (40-90%), обеспечивающем плотность упаковок, и относительно толстые спекающиеся оболочки вокруг ядер.

Как и прогнозировалось при моделировании структур, агрегаты сланцев, связанные оболочками из глинистых агрегатов, являются основой реальных структур. Однако в отличие от модельных, в реальных структурах отмечается случайное неравномерное распределение агрегатов и их конгломерация. Чем больше содержание сланца в композиции тем, выше степень конгломерации агрегатов сланца, тем неравномернее толщина связующей глинистой оболочки и степень спеченности в отдельных зонах. Эти факторы в сочетании со снижением плотности упаковок при уменьшении содержания глинистых агрегатов от 40 до 20 % являются причинами понижения прочности образцов. Вместе с тем формирование благоприятного фазового состава обуславливает сохранение достаточно высоких значений прочности образцов из композиций, содержащих глину 20 - 30 %.

При обжиге смеси сланцев с глинами образование муллитоподобной фазы активизируется. Так, если на рентгенограммах глин и сланцев, обожженных при температурах 1000-1050°С, муллитоподобная фаза проявляется единичными отражениями, то на рентгенограмме смеси компонентов, обожженных при этих же температурах муллитоподобная фаза проявляется весьма активно (3,42; 2,68; 2,56; 2,12)·10^-10м. Одновременно усиливается образование анортита, о чём свидетельствует увеличение количества и интенсивностей его максимумов на рентгенограммах образцов, обожженных при температурах 1000-1050 °С. Дополнительно при обжиге смеси глины со сланцами образуются волластонит (2,79∙10^-10м).

Петрографические исследования фазового состава обожженной при 1000°С керамики из композиций с 10% сланца, подтверждают, что связующее вокруг крупных зёрен сланца содержит порядка 10 — 20% кристаллов и около 20% зёрен кристаллов полевого шпата (анортита) размером 0,1 мм. Как известно, муллитоподобная фаза, волластонит и анортит повышают механические и связанные с ними свойства керамики. Формированием благоприятного фазового состава керамики можно объяснить относительно высокую её прочность из композиций с содержанием глины, недостаточным для получения плотных упаковок.

Исходя из анализа полученных результатов изменения характеристик образцов из композиций глин со сланцами, структуры и фазового состава черепка, спроектировали составы (табл. 2) для получения стеновых керамических материалов и их свойства.

Для оценки свойств керамики готовили образцы-цилиндры диаметром 50 мм и уменьшенные модели - кирпичи размером 125x65x25 мм, составляющие 1/8 часть керамического кирпича. В составах композиций использовали обладающие разным эффектом получения плотных упаковок и разной спекаемостью виды глин (бентонит) и каолинитовая (глину). Подготовку компонентов, изготовление образцов их сушку и обжиг проводили по описанной выше технологии.

Физико-технические свойства образцов для стеновой керамики определяли по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 530-95 и ГОСТ 8462-85. При этом для определения водопоглощения насыщение образцов проводили кипячением их в воде в течение 5ч, а оценку морозостойкости по степени повреждения и по потере массы после требуемого колличества циклов при объёмном замораживании образцов с использованием термокамеры "Синтез", обеспечивающей позиционное регулирование температур в диапозоне от-17 до-25°С.

Таблица 2. Составы композиций глин с глинистыми сланцами для стеновой керамики.

Компонент	Содержание компонента, % масс, в составах
Компонент	1	2	3	4	5	6	7
Суглинок	100	80	75	55	35	25	15
Бентонит	-	5	5	5	-	-	-
Глина каолиновая	-	-	-	-	5	5	5
Глинистые сланцы	-	15	25	45	60	70	80

Показатели прочности сырца из разных видов глин подтверждают положительный эффект твердой смазки сланцев за счет образующейся при его дроблении около 30% мелкочешуйчатой фракции.

При введении глинистых сланцев отсутствуют микротрещины в сырце и прочность при сжатии повышается в 1,5 - 3 раза.

Температура обжига образцов зависит от содержания каолинита в смеси. С уменьшением его количества температура обжига снижается с 1000 до 900°С. Образцы из композиций сланцев с каолинитовой глиной достигают значений свойств, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 530-95 после обжига при температуре 1000°С. Образцы из композиций сланцев с суглинок-монтмориллонитовой глиной примерно таких же значений свойств достигают после обжига при температуре 950°С (табл. 3).

Таблица 3. Свойства стеновой керамики из композиций с глинистыми сланцами.

Показатели	Состав							Требования
Показатели	1	2	3	4	5	6	7	ГОСТ 7484-78	ГОСТ 530-95
Температура обжига, °С	1000	1000	1000	1000	1000	1000	1000	-	-
Водопоглощение, %	18,1	14,5	14,8	15,2	16,9	17.3	-	<14	>8
Усадка, %	4,2	^0,8	0,4	0,1	-0,3	-0.6	-0,9	-	-
Плотность, кг/м³	1860	1760	1820	1820	1810	1810	1790	1600	1900
Прочность при сжатии, МПа	12,2	33,7	31,5	29,3	26,1	24,3	15,3	>10	>10
Морозостойкость, циклы	23	>50	36	31	35	21	38	>25	>15
Цвет	оранжевый	Красный, светло-бежевый, желто-коричневый, коричневый						-	-
Прочность сырца при сжатии, МПа	1,2	1,5	1,4	1,3	1,0	0,8	0,5	-	-

Анализ свойств образцов из смеси сланцев с разными видами глин показал, что глинистые сланцы могут использоваться не только как компонент, но и как основа керамических масс, в которых глина выполняет роль связки, а при использовании легкоплавких глин - дополнительно роль плавня (рис. 1).

Рис. 1. Кривые плавкости смесей с глинистыми сланцами

Свойства образцов из масс с добавкой грубодисперсных сланцев в 10-45 % значительно выше свойств без добавок. При равной плотности и практически отсутствующей усадке образцы из масс в 2,5 - 4,5 раза прочнее и имеют марки по морозостойкости 25, 35 и 50 циклов против 23. Особенно выделяются образцы из смеси суглинка и монтмориллонитовой глины и сланцев в количестве 15 -45%.

После обжига при температуре 1000°С образцы из масс этих составов имели красивый от темно – коричневого до светло красного цвет и низкое водопоглощение. Кроме того, образцы характеризуются высокой прочностью после прессования (1,3-1,5МПа) и обжига (21,3-33,7МПа). Перечисленные значения показателей свойств образцов из композиций с содержанием сланцев 10-25% показывают, что они являются перспективными для получения и пустотелых стеновых керамических материалов.

После обжига при температуре 1000°С пустотелые и полнотелые из масс с содержанием 10 - 25 % сланцев достигают требуемых на лицевой кирпич и камни показателей свойств.

Приведенные результаты показывают, что отходы керамзитового производства могут быть использованы в качестве непластичного компонента в производстве лицевых и пустотелых стеновых керамических изделий и в качестве основного компонента в производстве керамического кирпича полусухого прессования.

Высокие эксплуатационные свойства керамики из композиций с отходами (отсев глинистых сланцев) керамзитового производства обеспечивается при структурах с ядром из непластичного силиката и оболочкой из глинистых агрегатов.

Список литературы

1. Шильцина, А.Д. Процессы взаимодействия высококальциевой золы с глиной при термической обработке их смеси // Вестник Хакасского государственного университета, 1997. - Вып. 4. — С. 134 -136.

2. Гальперина, М.К. Новые виды сырья для производства изделий строительной керамики / Пр-сть строительных материалов. Сер.5, Керамическая промышленность: Экспресс - инф. - М.: ВНИИЭСМ, 1988. - Вып.З.- С. 2-8.