Магистрант Колпаков А.В., аспирант Денисов Д.Ю., д.т.н. Абдрахимов В.З.

Самарская академия государственного и муниципального управления, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ВСПУЧИВАНИЯ ПРИ ОБЖИГЕ КЕРАМЗИТА ИЗ ГЛИНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНОГО ХИМИКО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА

Большое значение при спекании керамических материалов имеют состав и строение жидкой фазы, а также ее количество в спекаемой системе [1, 2].

Процесс течения силикатных расплавов под напряжением сдвига по М.П. Воларовичу в одних случаях, как у промышленных стекол, подобно идеальным жидкостям, подчиняется уравнению Ньютона (1) [3, 4]:

Р=h(dV/db)S (1)

где Р ─ напряжение сдвига, дин/см²; dV/db - градиент скорости с с^-1 и h - ньютоновский коэффициент вязкости в пуазах (10⁵ пуаз равны одной единице вязкости в системе СИ - н·с/м², S - площадь).

Течение других расплавленных силикатов имеет пластический характер, отвечающий не идеальным, а так называемым структурированным системам, т.е. системам, где между частицами действуют силы связей.

Различают методы определения коэффициентов вязкости в пределах от 10^-1 до 10⁵ пуаз и от 10⁷ до 10¹⁶ пуаз.

Одним из эффективных методом определения вязкости при обжиге глинистых материалов является метод тела, вращающегося в расплаве [5, 6]. Действующая сила, необходимая для расчета вязкости, определяется как сила, вращающая внутреннее тело, или как сопротивление расплава течению, измеряемое датчиком угла закручивания образца соединенного с конусом скручивающегося устройства.

Изменение вязкости нагреваемых глинистых образцов не носит прямолинейный характер. В определенных температурных интервалах наблюдается образование аномальных участков на графике «lgη-T».

Исследование вязкости и коэффициента вспучивания проводили на глинистых материалах различного химико-минералогического состав. Огнеупорность и оптимальная температура вспучивания исследуемых глинистых материалов представлена в таблице 1, а физико-механические характеристики керамзита в таблице 2.

Таблица 1 – Огнеупорность исследуемых глинистых материалов

Глинистый материал	Огнеупор-ность, ^оС	Оптимальная температура вспучивания, ^оС
Межсланцевая	1280-1300	1230-1250
Монтмориллонитовая глина	1180-1200	1160
Бейделлитовая глина	1320-1350	1250-1280

Таблица 2- Физико-механические характеристики керамзита

Сырьевой материал	Характеристики
	Температура обжига	Марка насыпной плотности	Прочность при сдавливании	Теплопро-водность, Вт/м·С
Межсланцевая	1250	500	2,3	0,12
Монтмориллонитовая глина	1160	400	1,8	0,09
Бейделлитовая глина	1250	600	3,1	0,15

Межсланцевая глина, образуется при добыче горючих сланцев на сланцеперерабатывающих заводах (на шахтах). Межсланцевая глина является отходом горючих сланцев, основным ее глинистым минералом является монтмориллонит. Монтмориллонитовая глина Смышляевского и бейделлитовая глина Образцовского месторождения находятся на территории Самарской области.

При термической обработке исследуемых глинистых материалов появление жидкой фазы при температуре 950 ^оС на кривых вязкости фиксируется минимумом (рисунок 1, линии 1-3).

Аномалии на графиках «lgη-T» исследуемых глинистых материалов характеризуют фазовые изменения, происходящие при обжиге образцов, связанных с образованием и ростом в пиропластическом расплаве кристаллических новообразований кристобалита и муллита (рисунок 1, линии 1-3).

Рисунок 1 ─ Графики «lgη-T» глинистых материалов:

1 ─ монтморилонитового, 2 – межсланцевого, 3 – бейделлитового

Появление на кривых вязкости двух максимумов при температурах 1050 и 1100 ^оС обусловлено образованием кристаллических фаз ─ кристобалита и муллита (рисунок 1, линии 1-3). Линейный характер развития вязкости свидетельствует об отсутствии фазовых превращений. Появление в бейделлитовой и межсланцевой глинах кристобалита и муллита подтверждаются рентгенографические и ИК- спектроскопические исследования [1].

Таким образом, исследования показали, что появление жидкой фазы на кривых вязкости в исследуемых глинистых материалов фиксируется при температуре 950 ^оС, а двух максимумов в интервалах температур 1050 – 1100 ^оС. Появление этих максимумов обусловлено образованием высокотемпературных кристаллических фаз: кристобалита и муллита.

На рисунке 2 представлена зависимость коэффициента вспучивания от температуры обжига.

Рисунок 2 ─ Графики зависимости коэффициента вспучивания от температуры обжига глинистых материалов:

1 ─ монтмориллонитового, 2 – межсланцевого, 3 – бейделлитового

Коэффициент вспучивания – это отношение объема вспученной гранулы к ее объему после сушки (до вспучивания). Его можно подсчитать по формуле:

К_вс = [р_з^г (1 – 0,01П_п) / р_з^к], (2)

где р_з^г и р₃^к – плотность зерен сухой гранулы и керамзита, г/см³; П_п – потери при прокаливании (п.п.п.), %.

Глинистые материалы условно разделены на четыре группы [7, 8]. К первой группе относятся хорошо вспучивающиеся глинистые материалы с коэффициентом вспучивания свыше 4,5. Монтмориллонитовая глина Смышляевского месторождения и межсланцевая глины по коэффициенту вспучивания относятся к первой группе (К_вс>4,5). Бейделлитовая глина Образцовского месторождения по коэффициенту вспучивания относится ко второй группе (К_вс<4,5).

На вспучиваемость глинистых материалов влияет минералогический состав: наихудшей вспучиваемостью обладают каолинитовые глины [7, 8]. Как показывают наши исследования лучше вспучиваются глинистые материалы монтмориллонитового состава ─ монтмориллонитовая глина Смышляевского месторождения и межсланцевая глина, которая по минералогическому составу относится к группе монтмориллонита (рисунок 2, линии 1 и 2).

Вспучивание материала, как было выше указано, является результатом конечного числа актов расширения микропор – «зародышей вспучивания» в результате избыточного давления газов. При этом скорость расширения таких микропор находится в прямой зависимости от вязкости пиропластического расплава. Вязкость массы является одним из важных факторов, определяющих развитие процесса вспучивания.

Литература:

1. Абдрахимов В.З. Исследование железосодержащего традиционного природного и техногенного сырья на спекание керамических материалов. Влияние ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ на образование низкотемпературного муллита. Монография напечатана в соответствием с утвержденным Министерством образования и науки РФ на 2009 год научного проекта «Исследование железосодержащего традиционного природного и техногенного сырья на спекание керамических материалов. Влияние ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ на образование низкотемпературного муллита». – Самара: СГАСУ, 2009. - 427 с.

2. Куколев Г.В. Химия кремния и физхимия силикатов - М: Высшая школа, 1966. - 250 с.

3. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов А.В., Абдрахимов В.З., Абдрахимов Д.В. Влияние содержания оксида Fe₂O₃ на физико-механические показатели черепицы Абдрахимов // Материаловедение. 2007. №5. С. 41-48.

4. Абдрахимова Е.С, Абдрахимов В.З.. Структурные превращения соединений железа в глинистых материалах по данным мессбауэровской спектроскопии / Е.С. Абдрахимова // Журнал физической химии. 2006. Т 80. №7. С. 1-8.

5. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики М: «Стройиздат», 1977. -272 с.

6. Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Влияние некоторых отходов промышленности Восточного Казахстана на изменение вязкости керамических масс // Известия вузов. Строительство. -1999. -№2-3. –С. 59-62.

7. Онацкий С.П. Производство керамзита – М: Стройиздат, 1971. - 310 с.

8. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С., Денисов Д.Ю. Керамические строительные материалы Абдрахимова. –Самара: Самарская академия государственного и муниципального управления, 2010. -364 с.