Н.Р. МУСТАФИН, инженер, ОАО «ВНИИСТРОМ им. П.П. Будникова»
В настоящее время поставлена задача по обеспечению населения качественным и доступным жильем. Без существенного увеличения объемов производства и расширения ассортимента энергоэффективных керамических строительных материалов решить эту проблему невозможно. Увеличение объемов производства керамических строительных материалов, безусловно, связано с поиском новых видов сырья. Для этого нами исследована возможность использования невостребованных до сих пор алюмосодержащих отходов химического производства и повсеместно распространенного местного кремнеземистого сырья.
В качестве кремнеземистого сырья для получения керамики были взяты суглинки Кощаковского и Петровского месторождений с содержанием свободного кварца в них до 70%, химический, минералогический и гранулометрический составы которого были опубликованы ранее [1]. Данное сырье обладает плохими термическими свойствами, т. е. после обжига при температуре до 1100оС дает недостаточно прочный черепок. Поэтому добавление в керамическую массу такого важного компонента, как глинозем Al2O3, от количества которого сильно зависят физико-механические свойства обожженной керамики, должно улучшить эти термические свойства. Наиболее рациональным способом достичь этого является добавка алюмосодержащих отходов химического производства, в которых наряду с Al2O3 содержится CaCO3. При обжиге рационально подобранной смеси кремнеземистого глинистого сырья и алюмосодержащих отходов (70:30 до 50:50%) наблюдаются следующие фазовые превращения:
- при температуре 950— 1000оС происходит разложение карбоната кальция CaCO3 = СаО + СО2;
- при температуре 1000—1050оС образовавшийся СаО, взаимодействуя с другими компонентами керамической массы — Al2O3 и SiO2, образует кальциевый плагиоклаз СаОА1203•SiO2 (анортит). При повышении этой температуры интенсивность образования анортита увеличивается.
Данные процессы наглядно подтверждены на рентгенограммах, приведенных на рис. 1, где цифрами 1 обозначены пики кварца, 2 — пики кальциевого плагиоклаза (анортита), 3 — пик кальцита.
Рис. 1. Рентгенограммы образцов: а – необожженных; б – после обжига при температуре 1100оС; в – после обжига при температуре 1150оС; г – после обжига при температуре 1200оС
Анортит характеризуется наиболее низким отношением СаО:SiO2 из всех известных кальциевых соединений с каркасной решеткой. Это один из факторов его высокой химической устойчивости и механической прочности, что дает возможность использовать его в качестве кристаллической связки в керамических материалах.
Как известно, кристаллы кварца инертно ведут себя в обжиге при температурах ниже 1200°С. Поэтому при подготовке керамической массы была применена механоактивация как суглинков, так и отходов. Механоактивация заключалась в помоле этих компонентов в вибромельнице до частиц крупностью менее 0,05 мм. Диаграмма грансостава приведена на рис. 2. Это привело к частичной аморфизации кристаллов кварца, что способствовало их дальнейшему расплавлению и интенсивному образованию стеклофазы уже при температуре 1100оС. Тонкость помола также способствовала активизации процесса образования кальциевого плагиоклаза при обжиге.
Рис. 2. Гранулометрический состав механоактивированной керамической массы: 1 — полные остатки; 2 — частные остатки
В то же время в зонах избыточного содержания CaO есть условия образования неустойчивых соединений 2СаО•Ю2 (белит), 3СаО•SiO2 (алит) и 2СаОА12О•Ю2 (геленит), поэтому необходимо точно рассчитывать количество добавки кальцийсодержащего компонента и добиваться его равномерного распределения в массе.
Полевые шпаты, к которым относится и анортит, вводят в керамические массы для образования стекловидной фазы, которая действует трояким способом. Во-первых, она растворяет в себе другие составные части массы; во-вторых, придает пиропластичность и прочность материалу при обжиге, делая его способным в некоторой мере противостоять деформирующим усилиям от собственного веса обжигаемого изделия; в-третьих, способствует кристаллизации новых кристаллических фаз из расплава, в частности муллита [2].
Список литературы
- Мустафин Н.Р., Ашмарин Г.Д. Клинкерная керамика на основе кремнеземистого сырья и техногенных отходов // Строит. материалы. 2006. № 1. С. 32—33.
- Августиник А.И. Керамика. Изд. 2-е, перераб. и доп. Стройиздат. 1975.
