Применение метода компьютерной оценки сырья для исследования влияния состава расплава и нерастворившегося остатка на свойства керамзитового гравия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение метода компьютерной оценки сырья для исследования влияния состава расплава и нерастворившегося остатка на свойства керамзитового гравия

Чумаченко Н.Г., д-р техн. наук, профессор

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Накопленный литературный материал свидетельствует о влиянии химического состава сырья на фазовый состав керамзита [1-10] и, соответственно, на его свойства. Однако мнения противоречивы, что не позволяет использовать известные данные для направленного проектирования составов.

Достоверность прогнозируемых данных о количестве образующегося при обжиге расплава [11], полученных с использованием разработанного расчетного метода [12-14], позволяет проанализировать известные сведения и открывает широкие возможности для объяснения процессов формирования структуры керамзита. Наиболее полные исследования о влиянии химического состава сырья на фазовый состав керамзита выполнены М.К. Кабановой под руководством В.В. Еременко [15]. Были определены содержание и состав стеклофазы и кристаллических фаз для семи проб глинистого сырья разной степени вспучиванния. По этим данным выполнен расчет в соответствии с разработанным методом [12-14]. Расчет выполнен с учетом содержания в глинах кварца и частичного растворения его, наличия органики и полного восстановления оксидов железа. Сравнение экспериментальных и расчетных составов стеклофазы показано в таблице 1, а полного фазового состава - в таблице 2.

керамзит расплав гравий сырье

Таблица 1

Химический состав керамзитовых глин и стеклофазы керамзита

Общая оценка результатов сопоставления экспериментальных и расчетных данных приведена ниже. Как следует из таблицы 1, расчетные составы расплава и фактические составы стеклофазы близки, хотя общее содержание расплава несколько выше фактического содержания стеклофазы. Это вполне объяснимо и связано с частичной кристаллизацией расплава при охлаждении.

Наличие во всех пробах гематита является закономерным следствием недостаточного развития окислительно-восстановительных процессов на поверхности гранул: расчет же ориентирован на полное восстановление оксидов железа, что характерно для сердцевины гранул.

Обнаруженный во всех пробах полевой шпат не является остаточным, его можно отнести к фазам, образованным из расплава, что возможно, согласно [16], для составов расплавов, находящихся в поле кристаллизации полевого шпата. Это согласуется с выполненным анализом изменения фазового состава керамзита, например, для смышляевской глины. Рентгеноструктурным анализом полевой шпат зафиксирован вплоть до 800 0С и вновь появляется при 1100 0С.

Наличие во всех пробах муллита подтверждается присутствием в составе нерастворившегося остатка кремнезема и глинозема. Шпинель также обнаружена во всех пробах. Данное явление говорит о том, что входящие в состав кристаллической решетки монтмориллонита (основного глинистого минерала керамзитовых глин) ионы магния способны в первую очередь образовывать двухкомпонентную шпинель, а не трехкомпонентную алюмосиликатную эвтектику.

Идентификация экспериментальных и расчетных данных (таблицы 1 и 2) подтверждает выдвинутую гипотезу о последовательности вовлечения плавней в расплав [11]. Так, в стеклофазе наблюдается превышение содержания щелочей, железа и СаО, а содержание Al2O3 и MgO увеличивается в кристаллической фазе и уменьшается в стеклофазе. Кристаллические новообразования формируются в основном с участием щелочноземельных оксидов, но только в сочетании с тугоплавкими оксидами: СаО - с SiO2 и MgO - c Al2O3.

Более наглядно влияние химического состава сырья на качество керамзита можно оценить по динамике образования расплава (рисунок 1) и по расположению фигуративных точек относительно оптимальных областей (рисунки 2 и 3).

Как следует из рисунка 1, наиболее идеальное совпадение образования нужного количества расплава и интенсивного газовыделения свойственно для смышляевской глины. Во всех других глинах при обжиге образуется меньше расплава, а температура его образования опережает процесс интенсивного газовыделения.

Анализируемые данные, полученные В.В. Еременко и М.К. Кабановой, подтвердили положения [15] о том, что шихты, обеспечивающие максимальное вспучивание, расположены в теоретически обоснованных оптимальных областях. Из анализируемых глин только смышляевская удовлетворяет этим требованиям, что объясняет получение самого легкого керамзита. Любое отклонение от оптимального состава отрицательно сказывается на технологических характеристиках и свойствах керамзита.

Соотношение плавней в глине Ачинского месторождения, так же как и для смышляевской глины, соответствует оптимальному. Однако более высокое содержание кварца и меньшее количество расплава объясняет повышенную плотность.

Таблица 2. Фазовый состав керамзита

Рисунок 1 - Динамика образования расплава керамзитовых глин

Рисунок 2 - Расположение фигуративных точек керамзитовых глин на диаграмме

Для Октябрьского керамзита характерна самая высокая плотность, что согласуется с расчетно-графической оценкой. Глина по соотношению плавней (рисунок 3), составу эвтектического расплава (рисунок 2) не соответствует оптимальному. Из-за недостатка аморфного кремнезема оксид СаО играет отрицательную роль, а оксид MgO не выполняет функцию расширения интервала вспучивания.

На границе зоны оптимальных соотношений между эвтектическими расплавами располагается фигуративная точка омской глины (рисунок 3). Сильно завышенное содержание СаО и отсутствие магниевой эвтектики отрицательно сказываются на свойствах керамзита.

В кряжской глине ощущается недостаток MgO (рисунок 3), но увеличенное содержание глинозема повышает вязкость первичного расплава, что, с одной стороны, расширяет интервал вспучивания, а с другой - не способствует повышению коэффициента вспучивания. Марка керамзита довольно высокая - 500.

Анализируемая проба образцово-печорской глины по соотношению плавней относится к оптимальным керамзитовым, однако недостаточное количество расплава не обеспечивает максимального вспучивания. Аналогичную характеристику можно дать энемской глине.

Химический состав стеклофазы и фазовый состав керамзита оказывают существенное влияние на его прочность.

Рисунок 3 - Расположение фигуративных точек керамзитовых глин на диаграмме

Содержание щелочей в составе стеклофазы может изменяться в широком интервале. Положительное влияние щелочей на прочность силикатного стекла сказывается только в сочетании с глиноземом. Роль ионов щелочей в этом случае сводится к компенсации недостающего заряда алюмокремнекислородных цепей. Они не являются деполимеризаторами и не уменьшают прочности. Только при избытке щелочей и недостатке глинозема и кремнезема прочность снижается, что связано с разрывом алюмосиликатных цепей, которое приводит к резкому снижению вязкости расплава и образованию крупнопористой структуры.

Преобладание в составе плавней щелочей и оксидов железа приводит к уменьшению интервала плавкости. Этот эффект также объясняется свойствами эвтектических алюмосиликатных расплавов. Оксиды Na2O и FeO образуют легкоплавкие эвтектики, имеющие практически одинаковую температуру плавления (1050 и 1073 0С). Поэтому натрий - железистое стекло имеет короткий интервал плавкости, легко разжижается при повышении температуры, что также приводит к образованию крупноячеистой структуры. Этот недостаток отсутствует, если в сырье есть оптимальное количество СаО и MgO.

При отсутствии или недостатке в шихте MgO, когда она располагается вблизи плоскости R2C1F1 (рисунок 3), процесс характеризуется коротким интервалом вспучивания - не более 20 оС, так как максимальная температура образования расплава около 1118 0С, что характерно для октябрьской, омской и кряжской глин.

Если в шихтах отсутствует СаО, то в интервале температур растворения эвтектики С1 в первичном расплаве, образованном R2 и F1, возможно разжижение его, что ухудшает структуру заполнителя, а в производственных условиях может привести к козлообразованию.

Проведенные электронно-микроскопические исследования керамзита свидетельствуют о достоверности разработанного расчетного метода в прогнозировании фазового состава, вида и структуры остаточных минералов и новообразований. Основная масса хорошо вспучившихся глин переходит в расплав. Количество расплава уменьшается с увеличением тугоплавких добавок. Гематит в основном образуется в поверхностном слое при контакте с окислительной средой. К числу нерастворившихся остатков исходных минералов относится кварц.

Вид и структура новообразований определяются химическим составом шихты. К числу новообразований относятся: шпинель, муллит, анортит, а также кристобалит. Образование этих фаз согласуется с расчетными характеристиками (таблица 2).

Присутствие в нерастворившемся остатке смышляевской глины MgO, Al2O3, и SiO2 способствует образованию в первую очередь шпинели, что объясняется наибольшей подвижностью оксида магния. При отношении Al2O3/ SiO2 в нерастворившемся остатке, близком к муллиту (что характерно для омского керамзита), зафиксировано значительное образование последнего. Армирующие действия муллита сказались на повышении прочности керамзита. Расположение образовавшегося расплава в ачинском керамзите в поле кристаллизации полевого шпата способствовало образованию из расплава анортита, а неусвоенный расплавом аморфный кремнезем глинистых минералов, как свойственно для смышляевской глины, переходит в кристобалит.

Приведенный анализ свидетельствует о невозможности применения оценки качества керамзитового сырья по прямому соотношению плавней и тугоплавких оксидов, как это предлагается рядом исследований [2, 8, 17-19], а также с учетом принципа унификации катионов [20-22]. Предлагаемый расчетно-графический метод оценки более нагляден и достоверен.

Указанные прогнозируемые изменения вязкости и характер изменения интервала вспучивания согласуются с реальной структурой керамзита.

Рисунок 4 - Изменения фазового состава, происходящие при получении керамических материалов

Проведенные исследования определили характер фазовых превращений, происходящих при получении керамических материалов (рисунок 4), и расширили возможности расчетного метода, с помощью которого можно прогнозировать состав кристаллических фаз новообразований. Часть расчетного расплава может закристаллизоваться при охлаждении. Наиболее вероятной кристаллической фазой будут являться полевые шпаты, в поле кристаллизации которых попадают чаще всего керамзитовые глины. К оставшимся нерастворившимся тугоплавким фазам относится кварц, количество которого, по сравнению с содержанием его в исходной глине, изменяется незначительно. К кристаллическим фазам новообразований, сформированных из остатков глинообразующих минералов, относятся:

муллит - образуется при наличии в нерастворившемся остатке SiO2 и Al2O3;

кристобалит - образуется при недостатке в нерастворившемся остатке Al2O3;

шпинель - образуется при наличии в нерастворившемся остатке Al2O3 и MgO;

волластонит - образуется при наличии в нерастворившемся остатке СаО и SiO2.

Определенные условия этих фазовых превращений открывают широкие возможности в целенаправленном изменении их с целью получения материалов с заданными свойствами.

Список литературы

1. Guband J.C, Murat M. «Fabrication industrielle de largile expansse». - SILICATES INDUSTRIELS, 1968, 145-151.

2. Thone H. H. “Ein Wirtschaftliches Verfahren zur Blahtonenzeugnung”. - KERAM. Z., 1967, 19, № 11.

3. Блюмен Л.М., Воронов А.Г. Физико-химические основы процессов вспучивания глинистых пород (образование керамзита) и задачи дальнейших исследований в этой области // Труды РосНИИМС, 1969, № 21.

4. Жуков А.В. Искусственные пористые заполнители из горных пород. - Киев: Госстройиздат УССР, 1962. - 310 с.

5. Коларова М., Карагогова Л., Коларов Н. Химичният съестав като критерий за определяне пригодността на глините за производство на керамзит // Строителни материалы и силикатна промышленост. - НРБ, 1977. - Т. 18, № 10. - С. 18-22.

6. Колесников Е.А., Волчек Л.Л. Влияние химического состава на вспучиваемость глин // Техн. информ. ВНИИЭСМ. Сер.: Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей. - М.,1971. Вып. 3. - С. 21-23.

7. Онацкий С.П. Производство керамзита. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1987. - 333 с.

8. Производство керамзита в ФРГ // Техн. информ. ВНИИЭСМ. Сер.: Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей. - 1970. Вып.1. - С. 17-19.

9. Сафронов В.С., Шеин В.И., Савина В.Г. К вопросу оценки пригодности глинистого сырья для производства керамзита по химическому составу // Снижение материалоемкости и повышения долговечности строительных изделий. - Киев, 1974. - С. 58-68.

10. Трибомеханическая активация вспучивающихся глин / Heinz Hoffmann; НИИКерамзит: ОНТИ. Перевод № 547. - 19 с.

11 Программы для ЭВМ № 990185. Программный комплекс для оценка минерального алюмосиликатного сырья / Н.Г. Чумаченко, А.Н. Чудин. - М.: РОСПАТЕНТ, 1999.

12. Чумаченко Н.Г., Чудин А.Н. Компьютерная оценка минерального сырья для производства пористых заполнителей // Строительные материалы. - 1999. - № 4. - С. 25-26.

13. Чумаченко Н.Г., Чудин А.Н. Новые расчетно-графические методы прогнозирования качества строительной керамики // Сборник науч. тр.: Градостроительство, современные строительные конструкции, технологии, инженерные системы. - Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 1999. - С. 219-229.

14. Кабанова М. К. Исследование и направленное изменения фазового состава керамзита (на примере получения заполнителя с повышенной жаростойкостью): Дис. … канд. техн. наук: 05.23.05. - Куйбышев, 1972.

15. Ермоленко Н.Н. и др. Исследование стеклообразования и кристаллизационных свойств стекол системы SiO2-Al2O3-Fe2O3-MgO-CaO-Na2O // Новые стекла и стекломатериалы: Сборник. - Минск: Наука и техника, 1965.

16. Еременко В.В., Лукоянчева Т.П., Петров В.П. Оценка качества сырья и опыт получения высокопористого керамзитового гравия // Техн. информ. ВНИИЭСМ. Сер.: Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей. - М., 1970. - Вып. 2. - С. 14-20.

17. Павлов В.Ф. Вязкость легкоплавких глин в интервале 800-1200 оС // Тр. НИИСройкерамики. - М. 1960. - Вып. 16. - С. 30-47.

Размещено на Allbest.ru