Исследования глин для производства керамического кирпича и черепицы

Езерский В. Исследования глин для производства керамического кирпича и черепицы // Строительные материалы. 2002. №3. C.48-50

Повышение качества керамических материалов (кирпича и особенно черепицы) остается важной задачей для многих заводов страны. Старые заводы часто выпускают продукцию низкого качества не только из-за изношенного оборудования. Часто это происходит из-за недостаточной изученности сырья и слабой отработки основных технологических режимов.

Очень важны для совершенствования технологии достоверные сведения о свойствах глины. Между тем даже при строительстве современных заводов в период, предшествующий проектированию и закупке оборудования, не всегда проводятся тщательные научные исследования глинистого сырья и отработка оптимальных параметров технологии.

За соблюдение технологии и в итоге за конечное качество выпускаемой продукции отвечает главный технолог кирпичного завода. Множество факторов, которые при этом приходится учитывать, определяют всю сложность и многогранность работы этой категории специалистов.

Различные методы испытаний глин, разработанные за много лет огромным числом ученых и практиков, призваны в значительной степени облегчить этот труд и помочь наиболее эффективно использовать потенциальные возможности глин для получения качественной продукции.

Основными руководствами при проведении испытаний являются ?Методика испытания глинистого сырья для производства обыкновенного и пустотелого кирпича, пустотелых керамических камней и дренажных труб?, ?Методические указания по испытанию сырья для производства кирпича способом полусухого прессования?, утвержденные бывшим Министерством промышленности строительных материалов СССР, а также различные ГОСТы, рекомендации, инструкции и другая литература. Отдельная методика испытаний глин для использования в производстве метода жесткого формования отсутствует. Чтобы восполнить этот пробел, специалисты ВНИИСТРОМа в настоящее время работают над дополнением к существующей методике.

В данной статье мы имеем целью показать, какие исследования необходимо проводить для понимания природы и потенциальных возможностей глинистого сырья, сориентировать технологов, какие этапы испытаний следует организовать на производстве и на каких этапах целесообразно обращаться за консультацией к специалисту в целях разработки технически грамотного и научно обоснованного технологического регламента.

Программа испытаний глинистого сырья разработана таким образом, чтобы при проведении исследований получить наиболее полную информацию о данной глине, ее составе, свойствах, поведении в процессе технологической переработки, формования, сушки и обжига. До начала проведения испытаний желательно иметь информацию о геологических изысканиях месторождения, о ранее проведенных исследованиях и, если завод уже построен и эксплуатируется, о проблемах, которые не позволяют выпускать продукцию необходимого качества.

Макроскопическое описание пробы глинистого сырья выполняют с целью определения внешнего вида, макроструктуры, цвета и плотности. При этом также фиксируют наличие включений и степень вскипания пробы при взаимодействии с раствором соляной кислоты.

Глинистые минералы в основном представляют собой гидратированные алюмосиликаты кальция, магния, железа и т. д. и примеси, поэтому традиционный химический анализ дает первое общее представление о составе сырья и некоторых будущих свойствах изделий. Так, по количеству и дисперсности кварца можно судить о прочностных показателях и о сушильных свойствах; по количеству красящих оксидов, в частности оксида железа в сочетании с содержанием оксидов кальция и магния ? о цвете черепка из данного сырья; по количеству оксида кальция, магния и диоксида углерода - о количестве примесей кальцита и доломита; по количеству оксида алюминия в сочетании с содержанием оксидов натрия, калия и железа ? о поведении глины в процессе нагревания; по количеству оксидов кальция, магния ? о характере поведения керамического черепка при обжиге в диапазоне температур 700-1000 0С и свыше 1050- 1100 0С.

Состав и количество водорастворимых солей в глине дает представление о том, будут ли появляться выцветы и высолы на поверхности изделий, и позволяют выбрать или разработать методы их устранения.

Необходимо знать минералогический состав сырья, ? какие именно глинистые минералы формируют данное сырье, какие конкретно примеси присутствуют в глине.

Обычно глина имеет полиминеральный состав, и в нем присутствуют одновременно несколько глинообразующих минералов, имеющих различные технологические свойства. Так, например, присутствие в сырье каолинита повышает огнеупорность изделий и обязывает технологов обратить особое внимание на режимы формования и обжига изделий. Монтмориллонитовые глины по сравнению с каолинитовыми и гидрослюдистыми имеют наиболее высокую степень дисперсности, наибольшую набухаемость и способность к коагуляции, высокую пластичность, связующую способность, усадку и чувствительность к сушке и обжигу. Гидрослюдистые глины занимают среднее положение между каолинитовыми и монтмориллонитовыми, но только в том случае, если наряду с гидрослюдистыми присутствуют и другие глинистые минералы. Если же глинообразующими минералами являются гидрослюды в различных видах да еще в присутствии слюд и хлорита, то такие глины отличаются по свойствам от глин вышеназванных групп.

В природе, однако, редко встречаются глины, имеющие в своем составе один минерал, поэтому их классифицируют по преимущественному содержанию того или иного минерала.

Данные по минералогическому составу, особенно количественные, получить довольно трудоемко, поэтому привлекается большое число различных дорогостоящих физико-химических методов исследования, в частности рентгеновский фазовый анализ, позволяющий увидеть количество присутствующих в сырье кристаллических соединений. Эти данные должны коррелироваться с данными химического анализа.

Рентгеновский анализ позволяет более определенно и достоверно судить о реальном, всегда сложном минералогическом составе сырья. Все технологические и эксплуатационные свойства керамической продукции определяются именно особенностями минералогического состава исходного глинистого сырья. Напомним, что рентгеновский метод исследования базируется на дифракции рентгеновских лучей от кристаллических решеток минералов и последующей их интерференции по вполне определенным физическим законам. Каждое кристаллическое образование имеет свой специфический набор (спектр) дифракционных отражений, по которым это соединение надежно идентифицируется и определяется количественное содержание в сложной естественной или искусственной смеси.

Для идентификации относительно рентгеноаморфных соединений с несовершенной кристаллической структурой, в частности глинистого минерала ? монтмориллонита, рентгеновского анализа недостаточно для получения полной картины фазового состава и он дополняется дериватографическим, оптико-микроскопическим и спектральным анализами.

Дериватографический анализ основан на определении различных тепловых эффектов при нагревании образца. Кривая ДТА характеризует все физико-химические процессы, происходящие в пробе при ее нагревании. Эффекты, направленные вниз, - эндотермические, идущие с поглощением тепла и свидетельствующие о разрушении исходных кристаллических или рентгеноаморфных соединений, о процессах плавления и т. п. Эффекты на кривой ДТА, направленные вверх, ? экзотермические, происходящие с выделением тепла, и обычно говорят о процессах новой кристаллизации, выгорании топлива и т. д.

В целом эта группа исследовательских методов дает представление о вещественном составе глинистого сырья и частично о будущих свойствах изделий.

На следующем этапе проводится определение и анализ керамических свойств глин. Содержание крупнозернистых включений определяют методом промывки пробы на сите 0,5 мм с последующим рассевом на ситах 5, 3, 2 и 1 мм. Этот анализ дает представление о содержании в пробе крупных каменистых включений, включений кварца, карбонатов, органики и др. На этом этапе также определяют содержание и активность крупных карбонатных включений. Результаты данного анализа используются при решении вопроса о необходимой степени диспергации исходного глинистого сырья.

Для получения информации о глинистой части пробы делают гранулометрический анализ методом пипетки, позволяющий определить размеры частиц глинистого сырья. Так, глинистые минералы, имеющие размеры в несколько микрон и менее, будут, естественно, находиться во фракциях 0,005?0,001 и менее 0,001 мм, а например, свободный кварц ? в наиболее крупных фракциях (свыше 0,01 мм). Для определения качественного и количественного состава глинистого сырья в дальнейшем данные, полученные с помощью других анализов, сверяют с результатами гранулометрического анализа.

Пластичные свойства глин преимущественно зависят от минерального состава, дисперсности глинистых частиц и других факторов. Переход глины от одной консистенции к другой совершается при определенных значениях влажности, которые получили название пределов пластичности. Влажность, при которой глина переходит из пластичного состояния в текучее, называется верхним пределом пластичности, или границей текучести. Влажность, при которой глина переходит из пластичного состояния в непластичное, называется нижним пределом пластичности, или границей раскатывания. Разность между верхним и нижним пределами пластичности является характеристикой пластичности глин и называется числом пластичности. Определяют эту характеристику с помощью прибора Васильева. За рубежом пользуются показателем пластичности по Аттербергу.

По числу пластичности глины классифицируются как высокопластичные с числом пластичности более 25, среднепластичные - 15-25, умереннопластичные ? 7?15, малопластичные ? менее 7 и непластичные, которые вообще не дают пластичного теста. Показатель пластичности коррелирует с гранулометрическим составом глины и, естественно, с минералогическим составом, то есть с содержанием глинистого вещества в сырье.

Исследование сушильных свойств сырья занимает весьма существенное место в лабораторно-технологических исследованиях методом пластического формования. Сушильные свойства глин напрямую связаны с количеством монтмориллонита. Чем его больше, тем выше чувствительность сырья к сушке. Однако это утверждение относится к глинам с общим содержанием глинистого вещества не менее 30?40%.

В случае с меньшим содержанием глинистого вещества также часто отмечают появление трещин при сушке, но оно возникает по причине недостаточной связующей способности массы, и тогда говорят об относительно большом количестве пылеватых частиц. На наш взгляд, правильнее говорить не о пылеватых частицах вообще, а о содержании минеральной составляющей (кварца, кальцита, полевых шпатов и т. д.), представленной частицами соответствующих размеров.

В практической работе при определении чувствительности сырья к сушке чаще всего пользуются двумя методами ? А.Ф. Чижского и З.А. Носовой.

По ускоренному методу Чижского сформованную пластинку образца размером 55 x 55 x 10 мм облучают мощным тепловым потоком до появления на пластинке трещин. Время появления трещин (в секундах) и является критерием чувствительности глин к сушке. Источником облучения служит электрическая плитка с закрытой спиралью мощностью 800 Вт.

Этот относительно простой и быстрый метод позволяет в какой-то степени оценить чувствительность глин к сушке и условно отнести их к одной из трех групп: высокочувствительные к сушке глины, когда трещины появляются ранее 100 с облучения, среднечувствительные ? трещины появляются через 100?180 с и малочувствительные, когда трещины появляются более чем через 180 с.

По методу З.А. Носовой глины делятся на три группы: малочувствительные Кч < 1, среднечувствительные Кч = 1 ?1,5 и высокочувствительные Кч > 1,5.

Хотя этот метод и является более надежным, чем ускоренный метод Чижского, на практике наблюдаются частые его расхождения с реальными результатами.

В институте ВНИИСТРОМ также разработан метод оценки чувствительности глинистого сырья к сушке, который заключается в прямом определении количества монтмориллонита в сырье. Глинистые минералы као