Минеральный состав изделий строительной керамики и их характеристики

УДК661

A. М. Салахов, Р. Р. Кабиров, Г. Р. Фасеева,

B. П. Морозов, Р. А. Салахова

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ИЗДЕЛИЙ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Ключевые слова: легкоплавкие глины, карбонатсодержащие глины, минеральный состав.

Даны фазовые составы керамических изделий различного назначения, показано изменение минерального фазового состава образцов полученных с использованием карбонатсодержащих глин Салмановского месторождения. Показана возможность получения изделий с заданными характеристиками при регулировании состава шихты.

Keywords: fusible clay, man-made waste: the substrate used catalysts, waste from the manufacture offiberglass.

The phase compositions modifiers, which are industrial waste (substrate spent catalysts, production waste glass). Shows the changes in the physical and mechanical characteristics of the resulting samples.

Введение

Известно [1], что эксплуатационные характеристики керамических материалов в значительной степени предопределяются их минеральным составом. Известно [2], что в фазовом составе кирпича Голицинского (Московская область) завода присутствуют следующие минералы: кварц (преобладающая доля), полевые шпаты, геленит, муллит, мусковит. Прочность кирпича при сжатии 15 МПа. Обжиг кирпича производится при сравнительно невысоких температурах (1000 - 1050°С), о чем свидетельствует присутствие гидрослюдистого минерала мусковит, который при более высоких температурах разрушается. В фазовом составе керамической трубы из Чехии мы выявили следующие фазы: кварц, полевые шпаты, геленит, муллит. В отличие от кирпича Голицинского завода в фазовом составе трубы нет гидрослюдистых минералов, к тому же содержание рентгеноаморфной фазы существенно выше, что связано с более высокой температурой обжига. Изделие отличается более высокой твердостью, однако еще более высокая твердость выявлена у изделий Х11 века, так называемых сфероконусах. В их фазовом составе: волластонит (преобладающая доля), кварц, полевые шпаты.

Экспериментальная часть

Из литературных данных известно [3], как меняется фазовый состав шихты при обжиге керамических плиток одного из мировых лидеров отрасли - итальянской фирмы «8ЛСМ1». Эти плитки производят при компрессионном формовании (40 МПа), температуре обжига 1150°С. Высокие прочностные характеристики плиток связаны с существенной долей рентгеноаморфной фазы, полевыми шпатами и кварцем. Мы сопоставили их минеральный состав с образцами, полученными нами в лаборатории КФУ при идентичных условиях формования и обжига из глины Сахаровского месторождения (табл. 1).

Лабораторные образцы отличаются высокой прочностью (116,0 МПа), плотностью 2,26 г/см3, водопоглощением 1,4%, т.е. по своим характеристикам ничуть не уступают плиткам

итальянской фирмы «8ЛСМ1». Это дало нам основание предположить, что глины Сахаровского месторождения при соответствующих

технологических режимах могут быть

использованы для производства керамических плиток.

Таблица 1 - Минеральный состав керамических масс фирмы «8АСМ1» и лабораторных образцов КФУ

Образцы О о * ю о н Кварц Калиевый полевой шпат Плагиоклазы Мелилит Гематит Пиро-ксены Крист./ам. фазы

SACMI 950 36 10 14 4 2 6 72/ 28

SACMI 1050 28 10 14 4 2 6 64/ 36

SACMI 1150 22 6 22 2 2 54/ 46

Лабора тория КФУ 1150 31 18 6 55/ 45

При обжиге глин с высоким содержанием карбонатов состав минеральных фаз существенно отличается от глин без карбонатов (табл. 2).

Отметим, что диссоциация карбонатов завершилась уже при температуре 700°С, оксиды кальция вступают во взаимодействие при температуре 800°С. Мы полагаем, что высокую активность оксида кальция можно объяснить его чрезвычайно высокой дисперсностью. Исследования показали, что карбонаты в глине Салмановского месторождения наблюдаются в виде своеобразных бутонов, который в свою очередь состоят из тончайших (100 нм) лепестков кальцита (рис. 1).

Таблица 2 - Изменения минерального состава глины Салмановского месторождения в связи с подъемом температуры от 50 до 1100°С

Рис. 1 - РЭМ изображение глины Салмановского месторождения

Известно [4], что окерманит - это минерал со структурной формулой Ca2Mg[Si2O7]• Окерманит является конечным членом непрерывного ряда твердых растворов с геленитом - 2Са0-А1203^Ю2, называемых мелилитами. Важной характеристикой окерманита является его способность к гидратации.

Ларнит [ортосиликат кальция - (2СаО)^Ю2] кристаллизуется в ввиде бесцветных, серых или желтоватых из-за примесей овальных кристаллов. В воде гидролизуется, обладает вяжущими свойствами, твердеет медленно, в поздние сроки твердения способен давать цементный камень высокой прочности. Вероятно, этим объясняется высокая прочность керамики с содержанием этих минералов.

Диопсид имеет структурную формулу СаMg[Si03], он образует непрерывный ряд твердых

растворов с геденбергитом (Са0^е0^Ю2), а также твердые растворы с Са0^Ю2 и с Mg0•S02.

Для синтеза этих минералов в системе уже при 700°С имеется значительное количество оксида кальция (23%). Другой важнейшей компонентой для формирования этих минералов является диоксид кремния. В аморфном состоянии он образуется в результате разрушения глинистого минерала клинохлор и гидрослюдистого минерала мусковит. После обжига при 900°С доля силикатов кальция и магния составляет 48%, а после обжига при 1000°С их доля уже составляет 56%. При дальнейшем подъеме температуры (1050 - 1100°С) доля силикатов кальция и магния составляет 66 - 67%. Существенное снижение доли кварца можно объяснить его взаимодействием с оксидом кальция.

Таким образом, высокое содержание карбонатов существенным образом предопределяет минеральный состав керамических образцов. Мы показали это при проведении серии модельных экспериментов.

В модельных экспериментах к глине Салмановского месторождения было добавлено 10% Са(ОН)2, сформованные образцы были обожжены при температурах 900 и 1000°С. В их фазовом составе (табл.3) выявлены минералы с высоким содержанием кальция - бредигит и ларнит.

Таблица 3 - Изменения минерального состава композиции глины Салмановского

месторождения + 10% Са(ОН)2 после обжига при температуре 900 и 1000°С

С ° £ ю о Т Кварц Волластонит Геленит Бредигит Диопсид Ларнит Крист./ам. фазы

900 25 11 29 15 - 20 73/27

1000 5 16 40 13 - 27 69/31

Известно [4], что бредигит - это полиморфная форма ортосиликата кальция, его структурная формула Са2^Ю4], также, как и волластонит, он имеет белый цвет. В итоге, образцы, полученные в модельном эксперименте, отличаются более светлыми тонами.

Выводы

Было показано, что регулируя состав шихты, возможно получение керамики различного минерального состава, что, в свою очередь, влечет за собой получение изделий с определенными эксплуатационными характеристиками.

Так, высокое содержание карбонатов и их чрезвычайно высокая дисперсностьсущественным образом предопределяет минеральный состав керамических образцов. Это было показано при проведении серии модельных экспериментов.

Проведенные исследования показали, перспективы использования низкосортной глины

Тобж, ПС Кварц Клинохлор Мусковит Альбит Кальцит СаО Окерманит Диопсид Ларнит Крист/ам фазы

50 17 6 20 12 45 - - - - 63/37

00 22 9 13 17 39 - - - - 70/30

»00 27 6 18 11 38 - - - - 65/35

300 22 9 21 10 38 - - - - 69/31

400 24 6 20 11 39 - - - - 70/30

>00 22 - 26 15 37 - - - - 69/31

>00 24 - 35 11 30 - - - - 69/31

700 27 - 33 17 - 2 3 - - - 67/33

800 26 - 22 21 - 3 6 6 16 72/28

>00 17 - 16 19 - - 28 10 10 71/29

>50 22 - 14 15 - - 24 12 13 70/30

000 12 - 16 16 - - 32 16 8 71/29

050 5 - 14 15 - - 31 26 9 71/29

100 9 - - 24 - - 30 37 - 71/29

Сахаровского месторождения для получения керамического материала высокого качества.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Субсидии по постановлению Правительства РФ №218 (договор № 02.G25.31.0121, 2014 г.).

Литература

1. У.Д. Кингери, Введение в керамику, Стройиздат, Москва, 1967, 237с.

2. А.М.Салахов, Г.Р.Туктарова, В.П. Морозов, Стекло и керамика, №3, 2005, 25 - 28.

3. Giovanni BiffiBook for the production of ceramic tiles, FaenzaEditoriale, 2003, 376 p.

4. В.С. Горшков, Вяжущие, керамика и стеклокристаллические материалы: Структура и свойства,Стройиздат, Москва, 1994, 564 с.

5. А.М.Салахов, Р.Р. Кабиров, Г.Р. Фасеева, В.П. Морозов, Н.В. Болтакова, Р.А.Салахова. Вестник Казанского технологического университета, 17, 48-50. (2014).

© А. М. Салахов, канд. техн. наук, доцент кафедры физики твердого тела КФУ; Р. Р. Кабиров, генеральный директор ОАО «Алексеевская керамика»; Г. Р. Фасеева, ст. препод. каф. технологии неорганических веществ и материалов КНИТУ, galiya_@mail.ru; В. П. Морозов, доктор г.-м. наук, зав. кафедрой минералогии и литологии КФУ; Р. А. Салахова, канд. техн. наук, старший научный сотрудник ЗАО «ВНИИСТРОМ им. П.П.Будникова».

© A. M. Salahov, Cand. tehn. Associate Professor, Department of Solid State Physics, Kazan Federal University; R. R. Kabirov, General Director of JSC "Alekseevskaya ceramics"; G. R. Faseeva, a senior lecturer in technology of inorganic substances and materials, KNRTU, galiya_@mail.ru; V. P. Morozov, Dr. H.-M. Sciences, Head. Department of Mineralogy and Lithology Kazan Federal University; R. A. Salakhova, Cand. tehn. Sciences, Senior Researcher of CJSC «VNIISTROM them.P.P.Budnikova».