Формуемость керамических масс на основе тувинских глинистых пород

СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ CONSTRUCTIONMATERIALSSCIENCE

УДК 666

ФОРМУЕМОСТЬ КЕРАМИЧЕСКИХ МАСС НА ОСНОВЕ ТУВИНСКИХ ГЛИНИСТЫХ

ПОРОД

Кара-сал Б.К., Седен Б.Р.

Тувинскийгосударственныйуниверситет, Кызыл

FORMABILITY OF CERAMIC MASSES ON THE BASIS OF TUVAN CLAY ROCKS

Kara-sal B.K., Seden B.R.

TuvanStateUniversity, Kyzyl

Выявлено влияние минерального и гранулометрического составов на формуемость керамических масс из глинистых пород Тувы. Установлено, что местные глинистые породы монтмориллонитовой основы более тонкодисперсны, чем гидрослюдистые и массы на их основе отличаются повышенной формовочной влажностью. Формуемость и связуемость керамических масс изготовленных из местных глинистых пород зависят от содержания глинистых частиц и способности образовать фазовые контакты при формовании и сушке изделий.

Ключевые слова: Глинистые породы, минеральный и гранулометрический составы, пластичность, формуемость, связуемость, свойства.

The effect of mineral composition and grain size on the formability of the ceramic mass of clay rocks of Tuva is defined. It is established that local montmorillonite clay rocks are finer than hydromica rocks, and the weight on their basis is characterized by high molding moisture content. Formability and connectability of ceramic materials made from local clay rocks depend on the content of clay particles and the ability to form phase contacts during the molding and drying of products.

Key words: Clay rocks, mineral and granulometric composition, plasticity, formability, connectivity, properties.

При производстве керамических изделий эксплуатационные характеристики получаемых материалов зависят от качества используемого сырья. Технология производства керамики включает разные операции, в ходе которых сырьевые материалы подвергаются структурным, фазовым и размерным изменениям.

Наиболее важным этапом производства является формование, где обеспечивается качественный внешний вид и формирование первичной структуры керамических изделий. От качества формования зависит эксплуатационные свойства материалов, так как большинство дефектов закладывается именно на этом этапе, а затем они лишь раскрывается при сушке и обжиге [1].

При производстве керамических изделий пластическим способом актуальной задачей является обеспечение оптимальной формуемости массы, решение которой требует исследования формовочных свойств используемых глинистых пород.

Как известно, если глинистая порода характеризуются грубодисперсной и малопластичной структурой, в которой содержание глинистых частиц недостаточно,

то при формовании изделий пластическим способом наблюдается разрыв граней и образование трещин в глиняном брусе. Кроме того, после сушки в результате удаления физически связанной воды раскрываются скрытие трещины формования. Из-за низкого содержания глинистых частиц, которые при увлажнении, превращаясь в пластическую связку заполняют межзерновые пустоты твердых частиц, склеивают их в единое целое, кирпичи - сырцы разрушаются при укладке на сушильные и обжиговые вагонетки.

Целью данной работы является изучение формуемости и связуемости масс на основе тувинских глинистых пород с выявлением их особенностей пластичности, структурно-механических и реологических свойств.

Объектами исследования явились глинистые породы основных месторождений Тувы, которые рассматривались как сырьевые материалы для производства керамических изделий.

Следует отметить, что глинистые породы подразделяются на глины, суглинки и супеси, которые отличаются по содержанию тонких глинистых частиц, размером менее 0,005 мм. В глинах содержание глинистых частиц должно быть более 30%, в суглинках в пределах 15-30%, а в супесях - не более 15%.

Отличающиеся слоистой структурой, глинистые минералы определяют основные технологические свойства глинистых пород, в том числе формовочные, главной характеристикой которых является пластичность, под которой понимают способность глинистых частиц при увлажнении с водой превращаться в пластичное состояние за счет образовании водных оболочек на их поверхности, обеспечивающих скольжение при приложении усилии и сохранять придаваемую форму.

В работе исследовались местные глинистые породы эксплуатируемых и перспективных месторождений, запасы которых достаточны для производства керамических изделий.

Генетически местные глинистые породы относятся к породам, образовавшимся осадочным путем. По условиям накопления они подразделяются на континентальные и речные.

Вследствие разнообразия и изменчивости условий формирования местные глинистые породы представляют собой неоднородные полиминеральные образования осадочного происхождения, состоящие из механической смеси различных по размеру первичных и вторичных минералов. В зависимости от влажности среды, степени уплотнения, пористости и связей между компонентами, местные глинистые породы приобретали и рыхлое и полутвердое состояние.

Учитывая, что существенное влияние на формуемость увлажненных масс оказывают такие свойства глинистого сырья, как пластичность и связность, которые зависят от содержания, формы и размера глинистых частиц, то в первую очередь изучен гранулометрический состав глинистых пород. В таблице 1 представлен гранулометрический состав исследованных глин и суглинков, где приведен соотношения глинистых, пылеватых и песчаных частиц.

По содержанию тонкодисперсных частиц, которые обеспечивают пластичность и связность массы, местные глинистые породы относятся к средне - и

низкодисперсным по требованиям ГОСТ 9169-75 «Сырье глинистое для керамической промышленности». Повышенное содержание частиц размером менее 0,005 мм имеют сукпакская, улуг-ховунская, шеминская, шуйская и холчукская глинистые породы и они классифицируются как чистые глины (содержание глинистых частиц более 30%). Остальные глинистые породы - бий-хемская, туранская, шагонарская, чаданская и сосновская, по содержанию глинистых частиц относятся к суглинкам. Колебание содержания глинистых частиц (от 4 до 8%) связано с непостоянством гранулометрического состава и условием образования пород. Из-за низкого содержания тонкодисперсных частиц (12-18%), бии-хемский суглинок следуетрассмотреть как супесь.

Таблица 1

Гранулометрический состав глинистых пород

№ Наименование

1 Сукпакская глина

2 Бий-хемский суглинок

3 Туранский суглинок

4 Шагонарский суглинок

5 Чаданский суглинок

6 Шеминская глина

7 Улуг-Ховунская глина

8 Шуйская глина

9 Сосновский суглинок

10 Холчукская глина

Установлено, что при использовании местных сукпакской, шеминской, шуйской, улуг-ховунской и холчукской глин получается средне и высокопластичные массы (число пластичности более 14), которые позволяют формовать изделия без дефектов и повреждений. А при применении бии-хемского, туранского, шагонарского, сосновского и чаданского суглинков, при изготовлении кирпича-сырца пластическим способом возникают дефекты формования в виде разрыва граней, трещин и свилеватость глиняного бруса, что связано с недостаточным количеством тонкодисперсных глинистых частиц и их неравномерной концентрации в объеме материала.

Согласно теории формовании, в пластичной массе с достаточной формуемостью, количество вязкой глиняной связки должно быть не менее общего объема межзерновых пустот твердых частиц. В керамической массе грубодисперсные компоненты (песчаные и пылеватые) создают каркас материала. При этом тонкая фракция, представленная частицами глинистых минералов (размеры менее 5 мкм), при взаимодействии с водой в результате протекания коллоидно-химических процессов превращается в пластичную глиняную связку, которая заполняет межзерновые пустоты крупных частиц. Соответственно, при формовании изделий из пластичной массы с оптимальным содержанием глинистых частиц происходит

Глинистые частицы,% (не менее 0,005мкм) 28-36 12-18 14-18 14-22 18-24 32-38 27-34 36-42 14-20 26-32

Пылеватые частицы,% (0,005-0,05 мкм) 42-48 56-68 48-55 36-42 38-46 28-34 38-44 42-48 44-52 10-46

Песчаные частицы, % (более 0,05 мкм).

22-27 32-38 30-36 42-44 40-46 32-34 30-35 24-28 36-42 32-38

равномерное уплотнение пластичной массы, из-за небольшой разницы напряжений между внутренними и наружными слоями формуемых изделий.

На пластичность глиняных масс влияет соотношение глинистых, пылеватых и песчаных частиц. Как выявлено, в пластичных глинах (сукпакская, шуйская, шеминская), соотношение между глинистыми и пылеватыми частицами более 0,5. В бии-хемской, туранской, сосновском суглинках это соотношение в пределах 0,2-0,4.

Пластичность глиняных масс зависит не только от общего содержания глинистых минералов, но и от их размеров, форм и степени совершенства. Породообразующий минерал глинистых пород Центральной Тувы (сукпакская глина, холчукская глина, бии-хемский, туранский, сосновский суглинки) монтмориллонит отличается малым размером, характеризуется длиной в пределах 0,01-0,1 мкм и толщиной 0,001-0,05 мкм [2]. Такие тончайшие частицы монтмориллонита при увлажнении придают массе высокую пластичность, чем более крупные частицы иллита (минерал гидрослюдистой группы), который присутствует в глинистых породах Западной Тувы (чаданский суглинок, ак-дашская, шеминская и шуйская глины). При этом, длина частиц иллита 0,1-3 мкм, а толщина 0,03-0,1 мкм.

Установлено, что при одинаковом количестве глинистых частиц (27-34%), сукпакская монтмориллонитовая глина имеет число пластичности 18, а улуг-ховунская гидрослюдистая глина 16, что связано с малой удельной поверхностью глинистых минералов в последней.

Изучение формы частиц глинистых минералов Осиповым В.И. [2] показало, что в железистых монтмориллонитах (что характерно для тувинских глинистых пород) наряду с присутствием небольших, иногда удлиненных микроагрегатов с нечеткими контурами, присутствуют крупные толстые скопления частиц, имеющие четкие контуры и шиповидные выступы. По данным электронной микроскопии, микроагрегаты частиц монтмориллонита имеют вид высушенных листьев разной толщины и конфигурации со сморщенной поверхностью и слегка закрученными краями. Еще присутствуют глинистые частицы глобулярной формы диаметром 0,51,0 мкм.

Частицы гидрослюды (иллита) на электронных изображениях выглядят как удлиненные или изометричные пластинки, а некоторые частицы имеют форму близкую к гексагональной.

Исследователи отмечают, что по морфологии глинистые частицы имеют самый разнообразный внешний вид: от тонких пластинок до чешуек, трубок и листоподобных образований [2].

Следует отметить, что структура глинистых минералов Тувы несовершенна и имеет многочисленные искажения. Основной причиной искажения структуры кристаллической решетки местных глинистых минералов является неравномерное заселение катионных позиций или катионные замещения, по-простому засоренность сырья. Это доказано результатами рентгеновских и дифференциально-термических анализов, где в термограммах местных монтмориллонитовых глинистых пород (сукпакская глина, бии-хемский суглинок) присутствуют различные нехарактерные эндо - и экзотермические пики. Кроме того, на дифрактограммах местных глинистых

пород выявлены слабые пики, что свидетельствует о несовершенной структуре породообразующих минералов [3].

Наряду с содержанием, форм и размеров частиц на формуемость глинистых масс влияет удельная поверхность минералов, которая характеризуюетсякак суммарная поверхность частиц, участвующих в физико-химических взаимодействиях с водой.

Установлено, что при примерно одинаковом содержании глинистых частиц, шагонарский и сосновские суглинки имеют удельную поверхность 380-402 м2/г, а чаданский суглинок - 297 м2/г. Шагонарский и сосновский суглинки монтмориллонитовой основы, из-за наличия тонкодисперсных и быстро разбухающих глинистых частиц отличаются более высокой удельной поверхностью чем чаданский суглинок, где частицы более крупные и среднеразбухающие.

Данная закономерность характерна и для чистых глин, где удельная поверхность сукпакской и холчукской глин равна соответственно 672 м2/г и 617 м2/г, а шеминская и шуйская гидрослюдистые глины имеют 5уа 524, 561 м2/г соответственно.

Для местных глинистых пород монтмориллонитовой группы повышенная тонкодисперсность сопровождается увеличением их удельной поверхности и соответственно, физико-химической активности.

Наличие тонкодисперсных частиц (размеры 0,01-0,1 мкм) в сукпакской и холчукской глин вызывает повышенную формовочную влажность (при примерно одинаковом содержании глинистых частиц), чем у шеминской и улуг-ховунской глин гидрослюдистой основы (табл. 2).

Таблица 2

Технологические свойства глинистых пород

Относите- Предел

№ Наименование Формовочная влажность, Число пластич- льная деформа- Пластическая Воздушная прочнос ти при

% ности ция при растяжении, % прочность, МПа усадка, % сжатии сырца, МПа

1 Сукпакская глина 22 18 6,4 0,41 12,3 9,1

2 Бий-хемский суглинок 16 6 3,2 0,12 6,4 1,7

3 Туранский суглинок 17 8 4,1 0,16 8,2 1,9

4 Шагонарский суглинок 17 8 4,2 0,18 8,4 2,4

5 Чаданский суглинок 18 9 4,0 0,21 9,0 2,7

6 Шеминская глина 20 15 5,2 0,50 10,3 10,5

7 Улуг-Ховунская глина 20 16 5,5 0,48 10,9 9,6

8 Шуйская глина 21 17 5,9 0,54 11,2 11,7

9 Сосновский суглинок 18 9 4,4 0,15 8,3 1,8

10 Холчукская глина 21 16 6,1 0,36 12,1 7,2

Максимальную формовочную влажность 22% имеет сукпакская монтмориллонитовая глина, а из числа гидрослюдистых глин - шуйская (21%).

Вследствие повышенного содержания глинистых частиц, все изученный глины имеют число пластичности от 15 до 18 и относятся к среднепластичным по

требованию ГОСТ 9169-75. Из числа суглинков бий-хемское сырье классифицируется как малопластичное (число пластичности менее 7).

При оценке формовочной способности глинистого сырья, используемого для изготовления керамических изделий пластическим способом, определяется предельное напряжение сдвига пластичной массы, так как сырье должно выдержать максимальные статические напряжения при уплотнении без разрыва сплошности.На эти процессы влияет количество вязкотекучейглиняной связки. Течение и уплотнение пластичной массыпри формовании должны начинаться при малом напряжении сдвига и продолжаться до максимальных напряжений сдвига без образования трещин, что возможно при большой пластической прочности массы [4].

Формовочная способность тувинских глинистых пород оценена на основании показателей предела прочности и деформации при растяжении. Между данными показателями деформационных свойств, глинистых масс и содержанием частиц размером менее 5 мкм существует прямая зависимость. Как видно из данных табл. 2, повышенное содержание глинистых частиц влияет на увеличение трещиностойкости формуемых изделий: предел прочности и предельная деформация при растяжении возрастают.

Полученные в табл. 2 данные свидетельствуют, что хорошо формуемые сукпакская, холчукская, шуйская, шеминская и улуг-ховунская глины имеют большую деформацию при растяжении, а суглинки, где содержание глинистых частиц мало, характеризуются малой величиной деформации при растяжении.

Соответственно, породы с большим содержанием глинистых частиц отличаются высокой пластической прочностью, что видно на примере сукпакской, холчукской, шуйской и улуг-ховунской глин. Пластическая прочность суглинков колеблется в пределах 0,12-0,21 МПа, что значительно меньше, чем у чистых глин.

Проведенные на базе кирпичного завода ООО «Жилье» исследования показывают, что из-за низкого содержания глинистых частиц в бий-хемском суглинке, при формовании глиняная масса не выдерживала внутренних напряжений при уплотнении и после выхода из пресса, глиняный брус имел разрыв граней. А при добавке 20% сукпакской глины, глиняный брус формовался без дефектов, поверхность изделий характеризовалась хорошим качеством.

Следовательно, хорошей формуемостью обладают глиняные массы, способные не только принимать и сохранять заданную форму, но и образовывать в свежесформованных изделиях однородную коагуляциооную структуру с минимальным разбросом значений влажности и плотности массы при оптимальном содержании тонкодисперсных глинистых частиц. Для хорошо формуемой массы характерно оптимальное соотношение между крупными и мелкими частицами, дающее при уплотнении массы наибольшую степень упаковки твердых частиц и вязкотекучей глиняной связки, а также наличие высокой пластической прочности, что не позволяет массе не расслаиваться при механическом воздействии.

Таким образом, из числа местных глинистых пород хорошую формуемость имеют сукпакская, холчукская, шеминская и шуйская глины, содержащие более 25% тонкодисперсных частиц (менее 5мкм), которые при увлажнении переходят в

вязкотекучую связку, способную при перемешивании обволакивать все крупные песчаные частицы, что позволяет получить пластичную массу, выдерживающую сжимающие напряжения формования без признаков разрушения, что обеспечивает изделиям хорошее качество.

Библиографический список

1. Котляр, В.Д., Талпа, Б.В. Минерально-сырьевая база глинистых пород Юга Ротеии для производства строительной керамики// Строительные материалы. 2015. - №4. - С. 31-33.

2. Осипов, В. И., Соколов, В. Н. Глины и их свойства. Состав, строение и формирование свойств. - М. :Геос. - 2013 - 576 с.

3. Кара-сал, Б. К. Минеральное сырье Тувы для производства строительных материалов. - Кызыл.: РИО ТувГУ. - 2009. - 169с.

4. Лотов, В. А. Технология материалов на основе силикатных дисперсных систем. -Томск. Издательство ТГУ. - 2006. - 192 с.

Bibliograficheskiyspisok

1. Kotlyar, V. D., Talpa, B. V. Mineralno-syrevay basa glinistyh porod Yuga Rossi i dlya proizvodstva stroitelnoy ceramiki// Stroitelnye materialu. 2015. - № 4. - S. 31-33.

2. Osipov, V. I., Sokolov, V. N. Gliny i ikh svoystva. Sostav, stroenie i formirovanie svoystv. - M. :Geos. 2013 - 576 s.

3. Cara-sal, B. K., Mineralnoe syre Tuvy dlya proizvodstva stroitelnykh materialov. Kyzyl: RIO TuvGU. 2009. - 169s.

4. Lotov, V. A. Tekhnologiy materialov na osnove silikatnykh dispersnykh system. - Tomsk. IzdatelstvoTGU. - 2006. - 192 s.

Кара-сал Борис Комбуй-оолович - доктор технических наук, профессор кафедры «Промышленного и гражданского строительство» Тувинского государственного университета, г. Кызыл, E-mail: cara-sal.bor@yandex.ru.

Седен Билзекмаа Романовна - аспирант кафедры «Промышленное и гражданское строительства» Тувинского государственного университета.

Kara-sal Boris - Doctor of Technical Sciences, Professor of «Industrial and civil construction» Department of the Tuvan State University, Kyzyl, E-mail: carasal. bor@yandex.ru.

Seden Bilzekmaa - graduate of «Industrial and civil construction» Department of the Tuvan State University, Kyzyl, E-mail: seden.bilzek@yandex.ru.