Сырье, происхождение, разновидности

Содержащиеся в земной коре 88% кремнезема, силикатов и алюмосили­катов, в том числе 54% полевых шпатов, 15% мета- и ортосиликатов, 12% кварца, опала и халцедона и 1,5% собственно глин, составляют основу произ­водства керамических изделий.

Разработка технологических процессов, обеспечивающих пропорцио­нальное использование элементов земной коры, имеет большое практическое значение. По определению Е.А. Ферсмана содержание окислов в земной коре и в продуктах производства должно постепенно сближаться [3].

Для успешного использования накопленных знаний о минералогенезе применительно к производству строительных изделий необходимо учитывать огромную длительность геологических процессов.

Основные свойства силикатов и алюмосиликатов В.Эйтель впервые предложил выводить на основании их кристаллического состояния и струк­туры пространственной решетки. Многочисленными исследованиями уста­новлено, что устойчивость группы (SiO4) обусловлена не только стереометри­ей тетраэдрической формы этой структурной единицы, но и определяется ве­личиной отношения размеров составляющих её ионов Si⁺⁴ и О⁺² [4].

Во всех структурах компонентов сырья единодушно отмечается В.Эйтелем и другими, что ионы кислорода, как компенсаторы, играют весьма важную роль.

Природное глиняное связующее представляет собой слоистые и слоисто-ленточные силикаты и алюмосиликаты. Образование цепочек, колец, сеток вызывает некоторое ослабление плотности упаковки силикатных структур. При этом группы (SiO/i) комбинируются друг с другом в более рыхлую струк­туру, в кислородной решетке появляются значительно большие промежутки.

Совершенствование известных технологий стеновых изделий и разра­ботка принципиально новых основывается в дальнейшем на накопленных фундаментальных знаниях о структуре и свойствах используемого сырья.

Значительный источник силикатного и алюмосиликатного сырья золы и шлаки энергетического комплекса, в отвалах которого находится более 1,2 млрд.тонн этого техногенного сырья. Общеизвестно, что затраты при произ­водстве строительных материалов и изделий на основе попутных продуктов в 2-3 раза ниже, чем на предприятиях, использующих природное сырье.

В своих исследованиях по определению возможностей применения по­путных продуктов промышленности в производстве стеновых изделий автор опирался на многолетние работы в данной области группы институтов, и в первую очередь Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. На основании обобщений многолетних исследо­ваний П.И.Боженовым, И.В.Глибиной, Б.А.Григорьевым разработаны техни­ческие требования к попутным продуктам, используемым в производстве строительной керамики: попутный продукт должен содержать максимальное количество силикатов, их химический состав не регламентируется; содержа­ние СаСОз, MgCO3,a также веществ, разлагающихся в процессе сушки и об­жига, должно быть ограничено; содержание серы (в пересчете на SO₃) допус-

кается не более 0,5% для пористого черепка и менее 1% для плотного; пре­дельная крупность пластификаторов - 0,1 мм, плавней и регуляторов цвета черепка - 0,25 мм; количество плавней - 0 - 20%.

Сырьевые материалы, используемые при изготовлении керамических из­делий, делятся на две группы: пластичные (глинистые) и непластичные. Гли­нистые материалы (глины и каолины) - основное сырье. Непластичные мате­риалы - это неглинистая часть глин в виде кварца, полевошпатных минера­лов, слюд, карбонатов и соединений железа, а также дополнительно вводи­мые в керамические массы отощающие материалы и плавни (флюсы).

Отощающие материалы вводят в массу для уменьшения усадки при суш­ке и обжиге изделий, чтобы сохранить их форму в процессе изготовления, облегчить и ускорить процессы сушки и обжига изделий. При производстве керамических изделий в качестве отощающих материалов применяют квар­цевый песок, шамот, попутные продукты промышленности в виде шлаков, зол и т.п.

Примерно 60 % всех выявленных в бывшем СССР месторождений высо­кокачественных песков располагаются в центральных районах Европейской части, на Украине, в Среднем и Нижнем Поволжье, приурочены они к древ­ним морским и озерным отложениям. В Донецкой области расположено крупное Авдеевское месторождение стекольных кварцевых песков, в Харь­ковской области - Глебовское и Новоселовское месторождения стекольных песков, в Ульяновской - Ташлинское месторождение. Очень крупные место­рождения высококачественных кварцевых песков морского происхождения расположены под Москвой - Егановское, Люберецкое. В Сибири кварцевые пески сосредоточены в южных районах (Тулунское) и качество их более низ­кое. Дальний Восток и многие районы Средней Азии бедны месторождения­ми высококачественных кварцевых песков или вообще их не имеют.

По минералогическому составу кварцевые пески могут быть мономине­ральными и состоять из кварца, но чаще они содержат примеси других мине­ралов: кремния, халцедона, небольших примесей глины и акцессорных мине­ралов (полевых шпатов, слюды, глауконита), а также ничтожных примесей тяжелой фракции - плотность 2,9 (граната, рутила, циркония, магнетита и др.). Кварцевый песок относится к рыхлым и сыпучим геологическим обра­зованиям, состоящим из несцементированных мелких обломков и зерен.

Плавни (флюсы) улучшают спекание керамического черепка и снижают температуру обжига изделий. Во время сушки изделий плавни обычно игра­ют роль отощающих материалов. В качестве плавней используются полевые шпаты, пегматиты, попутные продукты промышленности (нефелиновые кон­центраты, отходы боратовой руды, а также стеклобой и перлиты).

Из большого разнообразия полевошпатных пород керамическая про­мышленность использует микроклин, реже ортоклаз К [Al Si30g]. В зависимо­сти от условий кристаллизации полевых шпатов в их состав может входить целый ряд изоморфных заместителей. Особенно типична примесь натрия, изоморфно заменяющая калий. Плагиоклазы, представляющие непрерывный изоморфный ряд между альбитом Na [Al Si₃O₈] и анартитом Са [Al₂Si₂03], яв­ляются часто сопутствующими калиевым полевым шпатам минералами, об-

разующими вместе с ними и кварцем пегматиты. Полевошпатные породы сразу переходят в расплав, способствуя снижению температуры обжига.

Кроме полевых шпатов и пегматитов, керамической промышленностью используется целый ряд горных полевошпатосодержащих пород. Наиболее крупные из них находятся в северной и южной частях Карелии и на Кольском полуострове. Здесь имеется целый ряд полей с высокой концентрацией пег­матитовых жил (Хето-Ламбинское, Улялегское месторождения). Ряд круп­ных жил расположен на Урале (месторождение Тысячница, Алабашское), на Украине (Елисеевское - Зеленая Могила, Балка Большого лагеря), в Прибай­калье (Нарын-Кунтинское), в Восточной Сибири (Баргинское), на Дальнем Востоке (Тафуинское).

Слово «глина» имеет двойное значение. Глинами называют определен­ные виды пород: крупнодисперсных и тонкодисперсных (пылеватых) глини­стых. Во втором случае проводят различие между собственно глинистой ча­стью породы и включениями (неглинистой частью). Глинистым сырьем слу­жат тонкообломочные горные породы различного химико-минералогического состава, встречающиеся в природе в рыхлом, пастообразном или уплотнен­ном состоянии.

Глина представляет собой продукт разложения и выветривания поле­вошпатовых и некоторых других горных пород. В результате многолетних изменений температуры, действия солнечных лучей, мороза, дождей и ветра кристаллические горные породы растрескивались и разрушались. При хими­ческом воздействии их с углекислым газом воздуха и водой они постепенно превращались в глинистые минералы, карбонаты и кварц.

Старейшая теория образования каолина построена на разложении со­держащих полевой шпат древних пород (гранит, гнейс и порфир) под влия­нием атмосферных воздействий (Гинзбург), причем процесс начинается с по­верхности. Однако Формхаммер указал, что возникновению каолина отчасти способствовали и находившиеся под высоким давлением водяные пары; дальнейшим фактором образования каолина он один из первых признал пневматолиз. Зент, Раманн и Шталь доказали, что во многих местах возник­новению каолина способствует действие болотной воды и гумусовых кислот.

Образование каолина путем выветривания происходит при одновремен­ном воздействии атмосферных осадков и температуры. Вода проникает в не­большие щели и расселины, в них развиваются растительные организмы. По­роды, содержащие полевой шпат, под воздействием холода и тепла посте­пенно разрыхляются и механически распадаются на все более мелкие части. Кислород воздуха, растворенные в воде углекислоты и гамусовые кислоты производят прогрессирующее химическое воздействие. Часть кремнезема (SiO₂), силикаты щелочей и соединения кальция, магния, марганца и железа растворяются и вымываются. Конечным результатом этих процессов является образование чистого водного алюмосиликата А1₂Оз · 2SiO₂ · 2Н₂О, называе­мого каолином. Он представляет собой белый тонкозернистый, жирный на ощупь малопластичный материал, являющийся продуктом разложения (гидролиза) алюмосиликатов, диссоциированных водой, содержащей свобод-

ные ионы водорода и растворенную СО₂. Процесс каолинизации полевых шпатов схематически представляется в следующем виде:

(2,1)

Различают каолины первичных, вторичных и третичных месторождений. Они не остаются на месте своего первоначального возникновения. Дальней­шему загрязнению подвергаются глины на вторичных, третичных и более поздних месторождениях, куда они были отнесены с первичных мест образо­вания водных алюмосиликатов. Эти загрязнения состоят из примесей посто­ронних, не выветривающихся и выветривающихся минералов. По мере уда­ления глины от первоначального месторождения и оседания её на новых мес­тах образуются напластования с прослойками песка, колчедана и органиче­ских веществ.

Вследствие переноса водой или ветром продуктов выветривания с места их первоначального образования к ним могут присоединиться различные ор­ганические и неорганические вещества, чем глина сильно загрязняется. При этом в различные периоды продукты разнообразного происхождения пере­слаиваются друг с другом.

Первичные каолины перед использованием предварительно обогащают, в природном состоянии применяют в небольшом объеме только вторичные каолины.

Каолины, предназначенные для производства санитарно-строительных изделий, должны обладать также определенным комплексом реологических свойств: хорошей текучестью при ограниченной влажности, лимитируемой загустеваемостью, в них ограничено содержание водорастворимых веществ в количестве, ухудшающем литейные свойства шликера в целом.

Каолины гидроциклонного обогащения по упругости относятся к 3-й группе, холя по литейным свойствам они могут и не уступать каолинам 1 -й и 2-й групп, обогащенным гравитационным способом, если при этом не был введен избыток коагулятора. Основные месторождения каолинов - Прося-новское (Днепропетровская обл. - 118387 тыс. т), Глуховецкое (Винницкая обл. - 33912 тыс.т), Алексеевское (Кокчетавская обл. - 64352 тыс. т).

При производстве санитарных и других высококачественных керамиче­ских изделий используют обогащенный каолин марок КС-1, КС-2 и КС-3 в основном Просяновского и Глуховецкого месторождений (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Характеристика каолина для производства изделий строительной керамики

Каолин Просяновского месторождения представляет собой смесь каоли­нита и кварца с незначительными примесями минералов рутила, кварцита, циркония и др. Содержание оксида алюминия находится в пределах 35 -40%, огнеупорность каолина 1710 - 1770 °С, интервал спекшегося состояния выше 1400 °С.

Каолин Глуховецкого месторождения представляет собой смесь каоли­нита и кварца с примесью слюды. Содержание оксида алюминия - 35 - 40%, огнеупорность 1705 - 1775 °С, интервал спекшегося состояния выше 1300 °С.

Характеристики большинства глин (табл. 2.2) являются приемлемыми для производства изделий грубой керамики: кирпича и черепицы.

Таблица 2.2

Химический состав местных глин

Основными месторождениями глины является Берлинское (Челябинская обл. - 207000 тыс. т), Ангренское (Ташкентская обл. - 509000 тыс. т), Ново-Райское (Донецкая обл. - 70000 тыс.т).

Производство же изделий каменного товара, фаянса и особенно фарфора из них затруднено. Однако введение новых технологических приемов, в пер­вую очередь основанных на использовании вакуума, может позволить орга­низовать производство изделий строительной керамики на основе данных глин.

По содержанию тонкодисперсных фракций (ГОСТ 9169-75*) глинистое сырье подразделяют на группы (табл. 2.3).

Таблица 2.3 Группы глин в зависимости от содержания тонкодисперсных фракций, %

Современное состояние науки и техники требует увеличения использо­вания магматических пород в качестве исходного силикатного сырья. В на­стоящее время многие горно-обогатительные комбинаты перерабатывают миллионы тонн изверженных горных пород с целью извлечения из них по­лезных ископаемых, а сами изверженные породы в виде песков или щебня направляются в отвал. Из всего добываемого в мире минерального сырья в

общественном продукте используется только 2 %, остальные 98 % в изменен­ном состоянии выбрасываются как отходы и не применяются в деле.

Значительный источник силикатного и алюмосиликатного сырья - золы и шлаки энергетического комплекса, в отвалах которого находится более 1,2 млрд. тонн этого технологического сырья, являющегося по своим свойствам незаменимым компонентом формовочных смесей для получения керамиче­ских изделий с улучшенными составами. Общеизвестно, что затраты на пере­работку этого вторичного сырья в 2 — 3 раза ниже, чем на строительство предприятий, включающих добыточные переделы.

А. Е. Ферсман писал: «Ни в одной области естественных производитель­ных сил не чувствуется такая необходимость в научном изучении и активном творческом подходе, как в области нерудного сырья... Его запасы огромны, его качества своеобразны, его сочетания с другими видами сырья столь не­обычны, что здесь неприло-жимы готовые мерки и рецепты» [3].

Поиск по сайту: