Модификация Ключищенской глины Татарстана

Полная исследовательская публикация ____________ Нажарова Л.Н., Квашнина Т.С. и Мингазова Г.Г.

Размещено на http://www.allbest.ru/

58 _______ http://butlerov.com/ _______ ©--Butlerov Communications. 2015. Vol.42. No.6. P.54-58. (English Preprint)

[Введите текст]

54 __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2015. Т.42. №6. _________ г. Казань. Республика Татарстан. Россия.

Статья по теме:

Модификация Ключищенской глины Татарстана

Нажарова Лилия Назилевна, Квашнина Татьяна Сергеевна, Мингазова Гульфия Гайнутдиновна

Аннотация

В работе представлены результаты сравнительного анализа химического и минералогического состава глины Ключищенского месторождения Татарстана и диатомитов Инзенского и Ирбитского месторождений, показано их высокое сродство и применение для изготовления строительных стеновых материалов. Определены физико-механические характеристики образцов изготовленных из глины с добавками диатомита и установлена их зависимость от размера частиц, соотношения компонентов и температуры обжига. С использованием лазерного микроскопа изучена микроструктура образцов. Выполнен анализ фазового состава. Выявлены оптимальные условия для изготовления керамических материалов с высокими теплофизическими характеристиками.

Введение

Керамические материалы - самый древний вид конструкционных материалов. Производство и потребление конструкционных керамических материалов во всем мире неуклонно возрастает. Спрос на них обусловлен свойствами материалов: прочностью, долговечностью, экологичностью, теплопроводностью и многими другими. Свойства керамики, в первую очередь зависят от качества сырья и технологии ее производства. Глина - основное сырье для производства керамических строительных материалов. В республике Татарстан достаточное количество месторождений глинистых пород, однако, их качество позволяет производить, в основном, низкосортные изделия грубой строительной керамики. С целью расширения ассортимента и повышения качества продукции производят модификацию глин. В качестве модификаторов применяют большое количество разнообразных веществ и материалов, как органических так и неорганических, техногенных и минеральных. Опалкристобалитовые породы, благодаря своим свойствам, обусловленным наличием значительного количества активного аморфного кремнезема, могут быть использованы в качестве модификаторов с целью улучшения физико-механических и эксплуатационных характеристик изделий и повышения конкурентоспособности.

Экспериментальная часть

В экспериментах использовали глину Ключищенского месторождения Татарстана, диатомиты Инзенского месторождения Ульяновской области и Ирбитского месторождения Свердловской области (ТУ5761-001-59266087-2005). Химические и минералогические составы минералов были определены в АТСИЦ ФГУП ЦНИИ Геолнеруд г. Казань и представлены в табл. 1.

В минералогическом составе глины Ключищенского месторождения представлены: кварц - 40±6%; глинистые минералы (разбухающий смешаннослойный глинистый минерал иллитсмектит - 41%, диоктаэдрическая слюда-3%, каолинит - 1%, хлорит - 1%); полевые шпаты (плагиоклаз - 7±2%, КПШ - 4±2%; кальцит-2±1%; доломит <1%; анатаз <1%).

Минералогический состав диатомита Инзенского месторождения представлен рентгеноаморфным кремнеземом (70%), монтмориллонитом (14%), слюдой (7%), каолинитом (1%), также содержатся кварц (8%) и полевые шпаты (1%)[1].

Ирбитский диатомит представлен рентгеноаморфной фазой(54%), глинистыми минералами (смектитом, каолинитом), кварцем, ярозитом и минералом из группы полевых шпатов.

Табл. 1 - Результаты сравнительного химического анализа глины и диатомитов

Близость химического и минералогического составов сырья позволяет сделать вывод о высоком сродстве минералов и предположить тождественность протекания основных физико-химических процессов при сушке и обжиге изделий.

Для изучения фазовых превращений при нагревании диатомит подвергался комплексному дифференциально-термическому анализу на термоанализаторе STA 409 PC. Образцы нагревали в платиновых тиглях до 1000 оC в аргоновой среде со скоростью 10 град/мин. Результаты данного анализа представлены на рис. 1.

На термоаналитических кривых во всем интервале нагрева до 1000 °С наблюдается потеря массы диатомитом (до 11.29%). Эндоэффекты при 30-160 и 160-365 єС характеризуют удаление адсорбционной и части межслоевой воды глинистых составляющих минерала, в результате чего возникает «сжатая структура». Эффекты при 365-505 єС могут быть связаны с удалением поровой воды из диатомей, прочносвязанной воды из опаловидного кремнезема, а также аморфизации и частичной перестройки кристаллической решетки глинистых минералов [2]. При температуре выше 440 єС выгорают органические примеси.

Эффект при температурах 560-580 єС возможно связан с фазовым переходом аморфного кремнезема в низкотемпературную кристаллическую форму в-кварц, а при 600-750 єС - с потерями кристаллизационной воды монтмориллонитом. Однако, на диаграмме данные эффекты размыты, что, вероятно, связано с низким содержанием глинистых минералов и кварца в исследуемом образце диатомита.

В работе инзенский и ирбитский диатомиты были предварительно термообработаны при 450 °С в течение 1 часа для частичного удаления воды и углекислого газа с целью снижения деформации образцов и уменьшения усадки при сушке и обжиге.

Образцы из ключищенской глины с добавками диатомита (0.315-0.63 мм) в количестве 5-15 % масс. прессовали в виде цилиндров диаметром 50 мм и высотой 23-25мм полусухим способом (влажность шихты 10%) на гидравлическом прессе ПЛГ-20. Давление формования составляло 20 МПа. Затем обжигали в муфельной печи, выдерживая при температуре 1100 и 1150 °С в течение 4 часов. В выбранном интервале температур микроструктура материала претерпевает наиболее существенные и необратимые изменения за счет спекания, происходит уплотнение черепка, повышение его прочности, плотности и снижение пористости [3].

Целостность образцов после обжига не была нарушена, на поверхности не наблюдалось трещин, посечек и вспучивания. Цвет образцов изменялся от коричневого (1100 °С) до темно-красного (1150 °С), что можно объяснить переходом гидроксида железа в оксидную форму.

В ходе экспериментов были определены и проанализированные основные физико-механические характеристики полученных образцов. Так же проведен сравнительный анализ изделий, содержащих диатомиты разных месторождений. На рис. 1-5 представлены результаты экспериментов.

Испытания на прочность проводили на прессе ПЛГ-20. Предел прочности эталона из ключищенской глины составляет 86.5 МПа. Добавки диатомита снижают прочность. У образцов с 5% содержанием диатомита, обожженных при температурах 1100-1150 єС у сж находится в интервале 50.96-61.15 МПа. Увеличение процентного содержания диатомита в объеме шихты до 15% приводит к заметному снижению прочности изделий, однако, значения находятся в пределах нормы в соответствии с ГОСТ 530-2007. Как видно из табл. 2 добавки диатомита незначительно уменьшают плотность образцов. Можно отметить, что изменение размера частиц диатомита от 0.315 до 0.63 мм практически не влияет на плотность изделий, а увеличение содержания диатомита в формовочной массе с 5 до 15% приводит к уменьшению плотности с 2.2-2.3 до 1.9 г/см3. Повышение температуры обжига с 1100 до 1150 °С увеличивает плотность в среднем на 15%, легкоплавкие компоненты шихты переходят в вязкую жидкость, которая способствует сближению зерен тугоплавких компонентов и заплавлению пор, тем самым увеличивая плотность изделий.

Водопоглощение обожженных изделий определяли при атмосферном давлении по ГОСТ 7025-91. Значения указаны в сравнении с эталоном из ключищенской глины.

Водопоглощение возрастает с увеличением содержания и дисперсности диатомита (рис. 2) и не превышает 28% согласно ГОСТ 530-2007 [4]. В основном, на водопоглощение оказывает влияние температура. Образцы, обожженные при 1100 °С, обладают высокой способностью поглощать воду, вследствие пористой структуры. Увеличение температуры приводит к «остекловыванию» поверхности изделия.

глина месторождение ключищенский

Рис. 3 - Зависимость огневой усадки от концентрации диатомита и его дисперсности, относительно эталона из ключищенской глины

Огневая усадка является количественной характеристикой процесса спекания. С увеличением температуры огневая усадка увеличивается, тогда как значения плотности остаются почти неизменными. Относительно высокие значения огневой усадки при сравнительно низкой плотности обусловлено микронанопористой структурой диатомита в составе образцов. Микро-структуру изделий изучали с помощью 3D-сканирующего лазерного микро-скопа Olympus LEXT OLS4100. Размеры пор находятся в интервале 5-15 мкм. При температуре 1150 °С происходит интенсивное заплавление пор и остаются только мельчайшие поры и каналы, что приводит к увеличению прочности, но снижает теплопроводность изделий.

На рис. 5 представлена рентгенограмма обожженных образцов: А - образец с добавкой Ирбитского диатомита Тобж=1150 °С; В -образец с добавкой Инзенского диатомита Тобж=1150 °С; С - образец с добавкой Ирбитского диатомита Тобж = 1100 °С; Д - образец Ключищенской глины Тобж=1150°С. Рентгенофазовый анализ обожженных образцов был выполнен при помощи порошкового рентгеновского настольного дифрактометра Вruker D2 PHASER с целью определения минерального состава, а также кристаллической и аморфной составляющих. На рентгенограммах были идентифицированы ярко выраженное «гало» и дифракционные максимумы, соответствующие межплоскостным расстояниям таких минералов как кварц(4.258; 3.356; 2.453; 2.28; 2.237; 2.127; 1.981; 1.619; 1.659; 1.543Е), гематит (3.662; 2.688; 2.512; 2.198; 1.686; 1.483Е), альбит (4.032; 3.843; 3.757; 3.175Е), кристобалит (4.082; 3.236Е) и микроклин (4.101; 3.463; 3.239Е). Наличие «гало» на дифрактометрической кривой свидетельствует о наличие рентгеноаморфной фазы. Кристаллическая составляющая представлена узкими пиками.

Табл. 2 - Характеристики керамических образцов с добавками инзенского и ирбитского диатомитов, обожженных при Т = 1100 °С dч = 0.63 мм.

Выводы

Можно предложить следующие технологические параметры для изготовления высокопористых керамических изделий методом полусухого формования на основе ключищенской глины Татарстана: массовые соотношения (глина : диатомит) = (85:15); фракция диатомита -0.315 мм; температура обжига 1100 °С. Близость физико-химических характеристик изделий, модифицированных инзенским и ирбитским диатомитами, позволяет рекомендовать использование диатомитов различных месторождений без корректировки технологических параметров.

Литература

1. Нажарова Л.Н., Мингазова Г.Г., Гнусина Т.С., Марьина А.С., Чулакова А.В., Егорова К.Г. Вестник Казанского технологического университета. 2014. №23. С.75-79.

2. Антипина С.А., Ларькина Л.А. Труды Девятого международного симпозиума им. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр». Томск: Изд-во ТПУ. 2006. №7. С.718-719.

3. Кингери У.Д. Введение в керамику. М: Издательство литературы по строительству. 1967. 501с.

4. ГОСТ 2694-78. Изделия пенодиатомитовые и диатомитовые теплоизоляционные. Взамен.

5. ГОСТ 2694-67; введ. 1978-08-15. М.: Государственный комитет СССР по делам строительства. 1978. 5с.

Размещено на Allbest.ru