Строительная керамика на основе композиций глинистого и диопсидового сырья
1На правах рукописи
САФОНОВА ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА СТРОИТЕЛЬНАЯ КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИЙ ГЛИНИСТОГО И ДИОПСИДОВОГО СЫРЬЯ 05.17.11 – Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов 05.23.05 – Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Томск – 2012 2
Работа выполнена на кафедре неорганических веществ и материалов ФГОБОУ ВПО «Национального исследовательского Иркутского государственного тех нического университета» и на кафедре технологии силикатов и наноматериалов ФГОБОУ ВПО «Национального исследовательского Томского политехниче ского университета»
Научный консультант:
кандидат технических наук, доцент Баяндина Елена Викторовна Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Верещагин Владимир Иванович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор кафедры химии Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета Бердов Геннадий Ильич доктор технических наук, зав. кафедрой физики Сибирского федерального университета Бурученко Александр Егорович
Ведущая организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск
Защита диссертации состоится 22 мая 2012 года в 14.30 на заседании диссерта ционного совета Д. 212.269.08 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследова тельский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 43, корпус 2, аудитория 117.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Националь ный исследовательский Томский политехнический университет».
Автореферат диссертации разослан 20 апреля 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, Кандидат технических наук, доцент Петровская Т.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы Высокий потенциал неметаллорудного минерального сырья Иркутской области и Байкальского региона представлен месторождениями глинистого сырья и непластичных силикатных материалов, а именно полевых шпатов, песков, слюд, диопсидов, базальтов, воллостонитов. В большинстве случаев легкоплавкие глины и суглинки характеризуются сложным вещественным составом, что обуславливает невысокое качество выпускаемой продукции.
Дефицит качественного легкоплавкого глинистого сырья характерен для все го региона Сибири. Это делает необходимым поиск новых технологических решений, которые обеспечат изготовление высококачественных строитель ных материалов.
При подборе оптимального состава масс для производства строитель ной керамики необходимо учитывать все свойства и состав сырьевых мате риалов. Поэтому детальное исследование всего комплекса физико химических и технологических свойств глинистого и непластичного керами ческого сырья приобретает особую значимость.
Низкий уровень качества получаемых изделий из малопластичного глинистого сырья обуславливает необходимость разработки составов масс для производства строительной керамики с высокими физико механическими и эксплуатационными свойствами.
Опыт применения диопсидовых пород в производстве тонкой и строи тельной керамики показывает эффективность их использования в массах на основе глинистого сырья. Использование диопсида в композиции с легко плавкими глинами и суглинками предполагает улучшение свойств строи тельной керамики на основе низкопластичного глинистого сырья при темпе ратурах обжига 950…1050 С. В связи с этим разработка составов масс для производства строительной керамики на основе малопластичного глинистого сырья с добавками диопсида является актуальной задачей.
Диссертация выполнена в рамках госбюджетной темы 47/403 «Иссле дование минерального керамического сырья Иркутской области, разработка новых составов масс, технологий и технологических процессов».
Объект исследования – строительная керамика на основе глинистого сырья Южного Прибайкалья с добавками диопсидовых пород.
Предмет исследования – процессы формирования фазового состава, структуры и функциональных свойств стеновой строительной керамики.
Цель работы - разработка составов масс и технологий изготовления вы сококачественных керамических строительных материалов на основе компо зиций низко- и среднепластичного глинистого и диопсидового сырья.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
- исследование химического и фазового состава глинистого и диопси дового сырья;
- исследование процессов при термической обработке глинистого сы рья;
- исследование спекания диопсидсодержащих керамических масс на основе различных видов глинистого сырья;
- выявление основных факторов, влияющих на структурообразование материала;
- разработка составов масс для производства высококачественной строительной керамики на основе низко- и среднепластичного глинистого и диопсидого сырья - практическое опробование разработанных составов для производства кирпича полусухим методом прессования на предприятии.
Научная новизна работы:
1. Установлено, что упрочняющее действие диопсида в композиции с ма лопластичным сырьём при обжиге в области температур 900…1050 °С при дисперсности менее 60 мкм (средний размер 20…15 мкм) и при содержании по отношению к глинистой составляющей 20…40 % опре деляется минеральным составом глинистой составляющей сырья и не зависит от её количества. При этом прочность керамики на основе ди опсидсодержащих масс достигает 25…34 МПа, что в 1,5…2 раза боль ше прочности масс без диопсида.
2. Коэффициент упрочнения стеновой керамики при введении диопсида возрастает с увеличением содержания монтмориллонита, а температура проявления максимального эффекта упрочнения увеличивается с по вышением содержания каолинита в глинистой составляющей сырья.
При этом коэффициент прироста прочности уменьшается. Абсолютная прочность диопсидсодержащих масс определяется содержанием мон тмориллонита и количеством глинистых минералов в сырье.
3. Установлено, что в системе монтмориллонит-диопсид при температуре 900…1050 °С образуется твердый раствор алюмосиликатной шпинели и анортит. Увеличение прочности при введении диопсида в монтмо риллонитсодержащие суглинки обуславливается образованием распла ва при низкой температуре и повышеннем кристаллизационной спо собности стекла.
Практическая значимость Разработаны и предложены составы масс для производства строитель ного кирпича основе местного тощего глинистого и диопсидового сырья по технологии полусухого прессования. Полученные изделия обладают прочно стью на сжатие 16-20 МПа и плотностью 1540-1780 кг/м3.
Теоретические положения, обоснованные в диссертации, создают прак тическую основу моделирования масс для производства керамического кир пича на основе легкоплавкого малопластичного глинистого и диопсидового сырья.
Апробация результатов исследований Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4 научно-практических конференциях международного и всероссийского уровней: международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (г.Томск 2009, 2010, 2011г.), всероссийской молодёжной конференции «Наука и молодежь: про блемы, поиски, решения» г. Новокузнецк.
Публикации По материалам работы опубликовано 13 работ, включая 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пя ти глав, основных выводов по работе, списка используемой литературы, при ложений. Работа изложена на149 страницах машинописного текста, содержит 42 таблицы и 56 рисунков, приложения на 5 страницах.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы, приведены цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе (Строительная керамика на основе легкоплавкого глинистого сырья) приводится влияние условий образования глинистой по роды на структуру сырья, влияние минерального состава на технологические свойства глинистого сырья и на свойства строительных материалов на его основе. Обосновывается выбор и эффективность использования диопсидсо держащих пород в качестве упрочняющей добавки в массах для производст ва кирпича на основе легкоплавкого глинистого сырья. На основе проведён ного анализа литературы сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе (Характеристика исходных материалов. Методы и методики исследования) приведено описание месторождений глинистого сырья и общая его характеристика. Легкоплавкие глинистые породы, иссле дуемые в данной работе, используются в производстве грубой строительной керамики и являются покровными суглинками и супесями, залегающими близко к поверхности, непосредственно под растительным слоем, мощность которого составляет 0,5-0,8 м. Описаны диопсидовые породы Южного При байкалья.
Приводятся методики исследования, используемые в работе. Рентгено фазовый анализ проводился на дифрактометрах ДРОН-3М и ADVANCE 8, термический анализ выполнялся на дериватографе Q1500. Электронно зондовый микроанализ выполнялся на микроанализаторе Superprobe JXA 8200 (JEOL Ltd, Япония).
В третьей главе (Исследование сырьевых материалов и процессов при их термической обработке) представлены результаты комплексного ис следования глинистого и диопсидового сырья.
Исследованы представительные пробы семи месторождений глинисто го сырья Южного Прибайкалья. Химический состав исследованных глини стых пород представлен в табл. 1.
Таблица 1. Химический состав глинистых пород Южного Прибайкалья Содержание оксидов, мас. % Наименование сырья ппп SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O Легкоплавкие суглинки и супеси Суглинок тимлюйский 60,50 17,15 0,99 7,07 2,71 2,80 2,33 2,63 3, Суглинок олонский 56,12 14,70 0,80 5,91 8,40 2,71 1,95 1,43 7, Глина слюдянская 61,33 16,95 1,06 6,58 1,91 2,76 2,48 2,71 4, Суглинок мальтинский 53,99 13,33 0,87 6,35 8,53 6,56 1,67 1,41 7, Суглинок максимовский 57,75 15,95 0,92 7,12 4,95 3,14 1,91 1,65 6, Глина куйтунская 60,89 15,59 0,51 5,70 2,02 2,00 1,61 1,78 10, Тугоплавкая глина Глина шара-кундуйская 62,06 20,95 0,87 4,15 0,59 0,54 3,39 0,39 7, Содержание оксида кремния в сырье (55...62 %) предполагает присут ствие большого количества песчаных частиц. По содержанию Аl2O3 (от 14, до 20,95 %) и Fe2О3 (от 4,15 до 7,07 %) глинистое сырьё относится к кислому и полукислому с высоким содержанием красящих оксидов. Присутствие К2О, Мg2O и Na2O предполагает наличие гидрослюды и монтмориллонита.
Гранулометрический состав сырья (табл. 2) подтверждает данные хи мического анализа. 60…93 % минералов, составляющих породы, представ ляют песчаные и пылеватые частицы. Содержание глинистых минералов на ходится в пределах 7…38 %. По количеству глинистых, пылеватых и песча ных фракций глинистые породы относятся к пылеватым суглинкам и супе сям, кроме куйтунской и шара-кундуйской пород, которые являются пылева тыми глинами.
Таблица 2. Гранулометрический состав глинистого сырья Южного Прибай калья Наименование Размер частиц, мм сырья 1-0,06 0,06-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 0, Содержание частиц, мас % Малопластичное сырьё Суглинок тимлюйский 40,00 21,29 26,00 5,35 7, Суглинок мальтинский 50,70 20,05 10,90 9,00 9, Суглинок олонский 40,03 17,34 20,03 11,27 11, Суглинок максимовский 45,29 14,71 23,98 7,02 9, Умеренно- и среднепластичное сырьё Суглинок слюдянский 28,04 22,75 26,83 9,08 13, Глина куйтунская 32,50 12,76 19,52 9,05 26, Глина шара-кундуйская 20,30 10,13 26,28 5,07 38, Таблица 3. Минеральный состав глинистого сырья Южного Прибайкалья по результатам количественного рентгенофазового анализа Минералы Содержание в глинистой составляющей,% нит в смешанос лойном распре Монтморилло Наименование сырья Гидрослюда Вермикулит Микроклин Плагиоклаз Каолинит Ортоклаз Кальцит Гематит делении Альбит Кварц Тимлюйский суглинок + - - - + + - - 47 49 Олонский суглинок + - - - + + + - 8 49 Слюдянская глина + - - - + + - 14 1 75 Мальтинский суглинок + + + - - + + - 25 59 Максимовский суглинок + + + + - + - - 55 44 Куйтунская глина + - - - - + + - 69 35 Шара-кундуйская глина + - - - + - - - 17 83 Рентгенофазовым анализом установлен минеральный состав глинисто го сырья, который представлен кварцем, полевым шпатом, каолинитом, гид рослюдой, кальцитом, монтмориллонитом, хлоритом (табл. 3, рис. 1). Данные рентгенофазового анализа подтверждаются результатами термического и хи мического анализов.
А 16, 14, 10, Б 10, 7, 7, 14, 17, В 14, 100, 10, Г 7, 14, 7, 10, 18, Д 14, 14, 9, 9, 7, 7, 13, Е 13, - каолинит;
- гидрослюда;
- вермикулит;
- монтмориллонит;
- смешанослойное распреде ление монтмориллонита - материал в естественном состоянии;
- материал, насыщенный этиленгликолем;
- материал, прокалённый до 550 °С Рис. 1. Рентгенограммы глинистой составляющей Технологические свойства глинистого сырья, представленные в табл. 4, зависят от вида и количества глинистых минералов, составляющих породу (рис. 2). По приведённой гистограмме можно сказать об увеличении числа пластичности сырья с 4 до 17 с повышением содержания глинистых минера лов с 7,3 до 38,2 %. Коэффициент чувствительности к сушке определяется, главным образом, природой глинистых минералов. Наличие монтмориллони та повышает коэффициент чувствительности к сушке.
Таблица 4. Технологические свойства глинистого сырья Наименование Число Коэффициент чувстви- Огнеупор тельности к сушке ность, С сырья пластичности Малопластичное Тимлюйский суглинок 3 0,15 Олонский суглинок 4 0,75 Мальтинский суглинок 4,5 0,53 Максимовский суглинок 4 0,17 Среде- и высокопластичные Слюдянский суглинок 10 0,15 Куйтунская глина 14 1,85 Шара-кундуйская глина 17 1,64 Сырьё с высо ким содержанием глинистых частиц, но не содержащих монтмориллонита, является менее чув ствительным к суш ке, чем то, в котором содержание глини стых меньше, но в составе которого Рис. 2. Зависимость технологических свойств глини присутствует мон стого сырья от содержания фракций менее 1 мкм тмориллонит.
Спекание глин при обжиге связано с процессами дегидра тации и образования новых фаз, твердо фазными процессами и процессами плав ления. Для установ ления реакционной способности при об жиге сырья различ Рис. 3. Изменение прочности при сжатии образцов ного минерального на основе глинистого сырья различного минерально состава отслежива го состава с содержанием глинистых минералов:
лось изменение ме 1 – 9 %, 2 – 11,6 %, 3 – 38,22 % ханической прочности образцов, обожженных при температурах 500… С.
Изменение прочности продуктов обжига глинистого сырья на раз личных стадиях обжига определяется минеральным составом. Наиболее ин тенсивно при температурах обжига 900…1000 С изменяется прочность об разцов на основе глинистого сырья, содержащего более 4…5 % монтморил лонита. Образцы в данном интервале температур приобретают в среднем % от всей прочности, слагающейся на конечных стадиях обжига. Наименее интенсивно прочность возрастает при обжиге глинистой породы, содержа щей 1 % монтмориллонита. Повышение прочности при обжиге выше 950…1000 С связано с образованием легкоплавких эвтектик, что характерно для каолинитовых и гидрослюдистых глин (рис. 3).
Таким образом, фактором, определяющим процесс спекания при тем пературах 900…1000 °С, является количество монтмориллонита как наибо лее активного глинистого минерала при обжиге.
В качестве добавки, активирующей спекание, в данной работе исполь зовалась маложелезистая диопсидовая порода (90…95 % диопсида). Хими ческий состав представлен в табл. 5.
Таблица 5. Химический состав диопсидовой породы Наименование Содержание оксидов, масс. % сырья SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O+Na2O СО Маложелезистая диоп- 54,34 0,35 1,61 23,89 18,58 1,01 0, сидовая порода Рентгенофазовый и термический анализы показали, что исследуемая порода диопсида содержит диопсид, гематит, кальцит и апатит. Примеси, со держащиеся в породе, являются естественными плавнями. Поэтому, при их использовании возможно понижение температуры спекания изделий строи тельной керамики. Содержание Fe2O3 1…2 % сужает область применения диопсидовой породы до производства изделий керамики с окрашенным че репком.
В четвертой главе (Разработка составов масс строительной кера мики с использованием диопсидовых пород) приведены результаты иссле дования влияния диопсида на свойства керамики на основе глинистого сырья различного минерального состава.
Компонентные составы масс представлены в табл. 6.
Таблица 6. Компонентные составы диопсидсодержащих масс для производ ства кирпича на основе малопластичных суглинков Содержание компонентов, мас % Обозначение шихт* Суглинки Диопсид ТД0, ОД0, МД0, НД0, СД0 100 ТД3, ОД3, МД3, НД3, СД3 97 ТД6, ОД6, МД6, НД6, СД6 94 ТД9, ОД9, МД9, НД9, СД9 91 ТД12, ОД12, МД12, НД12, СД12 88 ТД15, ОД15, МД15, НД15, СД15 85 * Массы названы первыми буквами месторождений глинистого сырья. Н – массы на ос нове суглинков мальтинского месторождения. Д0…Д15 - количество диопсида в шихте.
Модели распределения компонентов диопсидсодержащей шихты на ос нове малопластичного глинистого сырья по дисперсности (рис. 4) показыва ют, что песчаные и пылеватые частицы занимают большее пространство ке рамического материала, а глинистая составляющая распределяется между ними. При этом не все контакты частиц окружены глинистой субстанцией.
Имеется доля грубых и пылеватых частиц с прямым контактом между собой.
Такое распределение частиц предполагает невысокую прочность материала вследствие нехватки связующего компонента.
А Б - песчаные частицы;
- пылеватые часттицы;
- диопсид А – модель с отношением диаметров песчаных частиц к пылеватым 1:3;
Б – модель с соотношением диаметров песчаных частиц к пылеватым от 1:10 до 1:14.
Рис. 4. Модели распределения диопсида в глинистом сырье 22 20 18 16 4 2 0А Б 0 3 6 9 12 15 0 3 6 9 12 Содержание диопсида в массе, % Содержание диопсида в массе, % 16 14 12 2 0 В 0 3 6 9 12 15 0 3 6 9 12 Г Содержание диопсида в массе, % Содержание диопсида в массе, % 33 30 0 5 10 15 20 Д 0 Содержание диопсида в массе, % 3 6 9 12 15 Е Содержание диопсида в массе, % – прочность;
– водопоглощение;
– усадка Массы на основе: А – тимлюйского (tобж 1050 °С), Б – олонского (tобж 950 °С), В – слюдян ского (tобж 900 °С), Г - мальтинского (tобж 1000 °С), Д – максимовского (tобж 1100 °С) суг линков;
Е – шара-кундуйской глины (tобж 1150 °С).
Рис. 5. Изменение свойств при обжиге образцов на основе глинистого сырья и диопсидсодержащих масс в зависимости от содержания диопсида в шихте Частицы диопсида в количестве 3…6 % дипсперсностью менее 60 мкм (средний размер – 15…20 мкм), входят в пространство между пылеватыми и песчаными частицами, смешиваясь с глиной и увеличивая общее количество связки. Таким образом, действие диопсида в массах следует рассматривать только в соотношении с глинистой составляющей. Содержание диопсида по отношению к глинистой субстанции составило 20…40 %.
Изменение свойств продуктов обжига глинистого сырья, содержащего 7…38 % глинистых минералов, при введении 3 и 6 % маложелезистой диоп сидовой породы заключалось в увеличении прочности образцов в 1,5…2, раза при температурах обжига 900…1100 С и уменьшении водопоглощения масс на 2…3 % (рис. 5).
Результаты исследования показали, что эффект от введения диопсида в глинистые породы различен и зависит от минерального состава глинистого сырья. Также различно количество диопсида, оказывающее эффект упрочне ния, и температура, при которой данный происходит.
Увеличение процен та прироста прочности ке рамики при введении ди опсида в массы зависит от содержания гидрослю ды и монтмориллонита в глинистых породах и по вышается с увеличением их количества в глинистой составляющей (рис.6).
Температура эффекта Рис. 6. Зависимость прироста прочности ди- упрочнения (рис. 7) при опсидсодержащей керамики от содержания введении диопсида в ма гидрослюды и монтмориллонита в глинистой лопластичное легкоплав составляющей сырья кое глинистое сырьё Содержание каолинита в глинистой составляющей, % Б Рис. 7. Температура максимального проявления эффекта упрочнения строительной керамики в композициях глинистого сырья с диопсидом в зависимости от содержания оксида железа (А) и каолинита (Б) находится в пределах 900…1100 С и повышается с увеличением каолинита в глинистой части пород и уменьшением оксида железа в химическом составе.
По абсолютному значению механической прочности при сжатии обожженных образцов на основе масс с диопсидом и глинистого сырья рас считывался коэффициент упрочнения. При расчёте максимальная механиче ская прочность при сжатии диопсидсодержащих масс после обжига делилась на прочность образцов без диопсида, обожжённых при той же температуре.
Величина коэффициента упрочнения изделий при введении диопсида в лег коплавкое малопластичное сырьё с содержанием глинистых минералов 7… % увеличивается с 1,05 до 2 при увели 1, Коэффициент упрочнения чении количества 1, монтмориллонита в 1, 1, глинистой состав 1, ляющей с 0,5 до 1, % (рис. 8). При этом 1, 1, абсолютная проч 1, ность продуктов об жига находится в 0,5 4 16 Содержание монтмориллонита в смешанослойном пределах от 21 до распределении в глинистой составляющей сырья, % МПа. Аналогичный Рис.8. Коэффициент прироста прочности обож эффект наблюдается женных образцов при введении диопсида в мало при наличии верми пластичные суглинки с различным содержанием кулита в глинистой монтмориллонита составляющей.
Действие диопсида при обжиге в сочетании с глинистым сырьём раз личного состава можно проследить, сопоставляя кривые изменения прочно сти диопсидсодержащей керамики с кривыми изменения прочности образцов на основе глинистого сырья в зависимости от температуры обжига (рис. 9).
Эффект упрочнения при введении диопсида в сырьё, содержащее монтмо риллонит, попадает в интервал 900…1000 °С. В этом интервале параллельно и, накладываясь друг на друга, протекают как твердофазные процессы, так и увеличивается количество расплава за счёт плавления железистого монтмо риллонита. Жидкая фаза интенсифицирует процессы переноса вещества за счёт диффузии и вязкого течения. Переход в расплав ионов кальция и маг ния на границе раздела фаз диопсида и продуктов разложения глинистых ми нералов при температурах выше 900 °С изменяет свойства расплава, повы шая его кристаллизационную способность.
30 - суглинок, содержащий вермикулит Прочность на - суглинки, содержащие более 4-5 % сжатие, МПа 25 монтмориллонита - гидрослюдисто-каолинитовый суглинок А Прочность на сжатие, МПа 500 600 700 750 800 900 950 1000 1050 Б Температура обжига, °С Рис. 9. Изменение прочности керамических материалов на основе глинистого А сырья (А) и диопсидсодержащих масс (Б).
В глинистом сырье содержание щелочных оксидов составляет 3…3, %. Анализ поведения при обжиге глинистого сырья в системе Na2О-Аl2O3 SiО2 показывает, что в системе глинистая составляющая – диопсид расплав появляется раньше, чем в глинистой составляющей, а полное спекание на ступает при меньшей температуре (рис.10).
Рис.10. Кривые плавкости глинистого сырья и диопсидсодержащих масс в системе Na2О-Аl2O3-SiО На микроснимке диопсидсодер жащей массы на основе слюдянского суглинка видно, что при температуре 1050 С на границе контакта диопсида и глинистого вещества образовалась об ласть расплава.
На кривой гидрослюдисто каолинитового суглинка и диопсидсо держащей массы на его основе резкого увеличения прочности при 900 С не на блюдается (рис. 9), так как каолинит и гидрослюда не проявляют активности Рис. 11. Микроснимок массы при обжиге в области температур с диопсидом, обожженной 900…1000 С и на этом этапе в них про при температуре 1050 °С исходит только твердофазная реакция разложения метакаолинита, протекающая по реакции (1):
Al2O3·2SiO2 •nH2O Al2O3·2SiO2 +nH2O Al2O3 ·SiO2 + SiO2 (1) алюмокремниевая шпинель каолинит метакаолинит В монтмориллонитах с существенным замещением кремнезёма алюми нием в тетраэдрических положениях образование алюмокремниевой шпине ли происходит при температурах (800…850 С) по реакции (2).
650 °С 850 °С Al2O3•4SiO2•nH2O Al2O3•4SiO2 + nH2O Al2O3•SiO2+3 SiO2 (2) алюмокремниевая шпинель монтмориллонит Алюмокремниевая шпинель играет большую роль в реакциях в твёрдом состоянии вследствие её сильных структурных аномалий, или «дефектов».
Так как образование шпинелей в глинистых минералах происходит при раз ных температурах, то активирующее действие диопсида будет проявляться в зависимости от температуры их появления. В сочетании с монтмориллони том – при температурах 900…950 С, в сочетании с каолинитом и гидрослю дой – при 1050…1100 °С. Взаимодействие продуктов дегидратации глини стых веществ с диопсидом на границе раздела фаз протекает за счет замены Al на Mg в алюмокремниевой шпинели, а замещенные ионы Аl способствуют подчиненному образованию анортита по примерной схеме:
СаО·МgО·2SiO2 + Al2O3·SiO2 (Мg, Аl)2O3·2SiO2 +CaO·Al2O3·2SiO диопсид алюмокремниевая шпинель твердый раствор анортит шпинели Процессы, протекающие при обжиге рассматриваемых композиций, исследовались комплексным термическим анализом (рис. 12). Сравнение кривых ДТА масс с 3…6 % диопсида и глинистого сырья показывает, что при температуре 950…1000 С происходит эндотермическая реакция, свя занная с разрушением решётки глинистых минералов. В диопсидсодержащих массах эта реакция переходит в экзотермическую, что связано с замещением Al3+ на Мg2+ в алюмокремниевой шпинели. Данного эффекта не наблюдается на термограммах глинистого сырья.
– глинистая порода мВт/мг – глинистое сырьё с 3-6% диопсида А – олонский суглинок и олонский суглинок с 3 % диопсида;
Б – слюдянский суглинок и слюдянский суглинок с 3 % диопсида;
В – тимлюйский суглинок и тимлюйский суглинок с 6 % диопсида Рис.12. Кривые ДТА глинистого сырья и диопсидсодержащих масс Таким образом, активность диопсида в сочетании с глинистым сырьем, во-первых, определяется появлением шпинелевой фазы, образующейся при разложении гидратированных глинистых минералов. Во-вторых, образовани ем расплава, и его повышенной кристаллизационной способности за счёт растворения в нем Са и Мg, поставщиком которых является диопсид.
В пятой главе (Особенности технологии производства керамиче ского кирпича на основе мало- и среднепластичного глинистого сырья и диопсида) показаны результаты по проверке эффективности использования диопсида в составах масс для производства строительного кирпича на основе олонского суглинка методом полусухого прессования. Свойства полученных материалов приведены в табл. 7.
Таблица 7. Свойства полученных материалов Полученные свойства Свойства по Свойства ГОСТ 530-2007 Масса ОД0 Масса ОД Водопоглощение, % 6…14 14 14, Прочность при сжа- М100- не менее 10 МПа 11 тии, МПа М175 – не менее 17,5 МПа Морозостойкость F 50 – не менее 50 циклов 35 F 35 – не менее 35 циклов Плотность, кг/м3 Более 1400 кг/м3 - класс 2 1560 Приведена технологическая схема производства керамического кирпи ча на основе диопсидсодержащих глиняных масс методом полусухого прес сования (рис.13).
Рис. 13. Технологическая схема производства керамического кирпича на ос нове диопсидсодержащих масс по методу полусухого прессования Основные выводы 1. Легкоплавкие глинистые породы Южного Прибайкалья относятся к ки слому и полукислому сырью с высоким содержанием красящих оксидов (Fe2O3 4…8 %). В основном исследованные глинистые породы являются гидрослюдистыми с различным содержанием каолинита и монтморилло нита, содержание которых изменяется от 0,5 до 45 %.
2. Гранулометрический состав глинистого сырья в большей части представ лен песчаными (30…55 %) и пылеватыми частицами (около 40 %), кото рые составляют кварц, полевой шпат, кальцит, слюда. Содержание глини стых минералов в малопластичном сырье 7,3…13,3 %, среднепластичном – 26,3…38,2 %.
3. Глинистое сырьё является мало- и среднепластичным и умеренно- и среднечувствительным к сушке. Число пластичности увеличивается от до 17 в зависимости от повышения содержания глинистых минералов в породе. Коэффициент чувствительности к сушке определяется наличием монтмориллонита в сырье.
4. Процессы при термической обработке глинистого сырья определяются его минеральным составом. Решающим интервалом в сложении прочно сти монтмориллонитсодержащих малопластичных суглинков при обжиге является интервал 800…1000 °С, в котором прочность образцов увеличи вается на 50…70 %.
5. При введении диопсидовой породы дисперсностью менее 60 мкм в мало пластичное глинистое сырьё наблюдается увеличение прочности керами ки. Данная дисперсность обеспечивает распределение диопсида в глини стой составляющей между пылеватыми и песчаными частицами. Введе ние грубодисперсной добавки упрочнения не даёт.
6. Упрочняющее действие диопсида в композиции с малопластичным сырь ём при обжиге в области температур 900…1050 °С при содержании по отношению к глинистой составляющей 20…40 % определяется мине ральным составом глинистой составляющей сырья и не зависит от её ко личества. При этом прочность керамики на основе диопсидсодержащих масс достигает 25…34 МПа, что в 1,5…2 раза больше прочности керами ки на основе масс без диопсида.
7. Температура проявления максимальной прочности керамики на основе диопсидсодержащих масс увеличивается с 900 до 1100 °С с повышением содержания каолинита в глинистой составляющей сырья от 1 до 50 %.
Величина коэффициента упрочнения изделий при введении диопсида в массы на основе малопластичного глинистого сырья определяется содер жанием монтмориллонита (вермикулита) в породе и увеличивается с 1, до 2 при повышении содержания данных минералов от 0,5 до 43 %.
8. Количество диопсида, обеспечивающее максимальное упрочнение кера мики, определяется наличием каолинита. При содержании до 10 % као линита в глинистой составляющей сырья, содержание диопсида в шихте, необходимое для упрочнения, составляет 3 % (20 % по отношению к гли нистой составляющей). При содержании более 25 % каолинита в глини стой составляющей сырья, содержание диопсида в шихте, необходимое для упрочнения, составляет 6 % (40…50 % по отношению к глинистой составляющей).
9. Прирост прочности на 50…100 % при обжиге образцов на основе монт мориллонитсодержащего глинистого сырья и диопсидовой породы про исходит, если в диопсидовой породе содержится 80…90 % диопсида.
10. Проверка на практике эффективности использования тонкодисперсной добавки диопсидовой породы в массах для производства строительного кирпича методом полусухого прессования показала возможность повы шения марки изделий с М 100 до М 175.
Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Сафонова Т.В., Зыкова Ю.А. Диопсид – эффективная добавка при производстве кирпича //Вестник ИрГТУ, № 3. Иркутск, 2009. – С.174–180.
2. Баяндина Е.В., Зыкова Ю.А., Сафонова Т.В. Исследование керамогра нитных масс с помощью термического анализа // Вестник ИрГТУ. – 2011. –№ 3. – С.101–106.
3. Сафонова Т.В., Верещагин В.И., Баяндина Е.В. Технологические свой ства и спекание глинистого сырья Южного Прибайкалья. // Известия Томско го Политехнического Института. – 2012. – № 3. – С. 45–49.
4. Сафонова Т.В., Верещагин В.И., Баяндина Е.В. Строительная керамика на основе композиций низко- и cреднепластичного глинистого и диопсидово го сырья. Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2012. –№ 3. – С.154–182.
В сборниках международных, всероссийских, отраслевых конферен ций 5. Сафонова Т.В., Зыкова Ю.А. Гипотеза применения железистого диоп сида как добавки при производстве кирпича // Труды всероссийской науч ной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и моло дежь: проблемы, поиски, решения», Новокузнецк. – 2008. Вып. 12. Ч. V.
Технические науки. – С.99–101.
6. Оборина М.А., Сафонова Т.В., Зыкова Ю.А. Расширение минерально сырьевой базы Иркутской области для производства строительных материа лов // Материалы региональной научно-практической конференции «Интел лектуальные и материальные ресурсы Сибири», Иркутск. – 2009. – С.83–87.
7. Зыкова Ю.А., Сафонова Т.В. Плитка для пола на основе легкоплавких глин // Сборник трудов XV Международной научно-практической конферен ция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и тех нологии», Томск. – 2009. Т. 2. – С.45–47.
8. Сафонова Т.В., Зыкова Ю.А. Зависимость механической прочности строительного кирпича от фазообразования при обжиге. Сборник трудов XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск. – 2009. Т.2.
– С.120–122.
9. Сафонова Т.В., Зыкова Ю.А., Баяндина Е.В. Диопсидсодержащие строительные материалы на основе суглинков различного минерального со става // Сборник трудов XVI Международной научно-практической конфе ренция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск. – 2010. Т. 2. – С.231–233.
10. Сафонова Т.В., Зыкова Ю.А., Баяндина Е.В. Процессы при обжиге легкоплавких суглинков // Сборник трудов Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Со временные техника и технологии», Томск. – 2011. Т.3. – С.234– 236.
11. Зыкова Ю.А., Сафонова Т.В., Декоративная плитка из шихт, содер жащих диопсид // Сборник трудов XVI Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Со временные техника и технологии». Томск. – 2010. Т. 2. – С.139–141.
12. Баяндина Е.В., Зыкова Ю.А., Сафонова Т.В., Елисеев К.А. Разработ ка критериев оценки декоративности керамических материалов // Актуаль ные вопросы прикладной науки и образования. Сборник, посвященный 45 летию филиала ИрГТУ в г. Усолье-Сибирском. Иркутск: Изд-во ИрГТУ. – 2010. – С.3–8.
13. Баяндина Е.В., Зыкова Ю.А., Сафонова Т.В., Бирюков Н.А. Объём но-окрашенные материалы на основе Слюдянского диопсида. // Актуальные вопросы прикладной науки и образования. Сборник, посвященный 45-летию филиала ИрГТУ в г. Усолье-Сибирском. Иркутск. – 2010. – С. 6–11.
Подписано в печать 19.04.2012 г. Формат 60х84/16. Бумага офсетная.
Печать плоская. Усл. печ. л. 1,22. Уч.-изд. 1,1. Тираж 100 экземпляров.
Отпечатано ООО “СПБ Графикс”. Заказ № 055-04а Адрес: 634034, г. Томск, ул. Усова, 4а-150, т. (38-22) 224-