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
Марка каолина
Содержание, %
Концентрация
водородных ионов водной вытяжки
Остаток на сите 0,063
окиси железа
двуокиси титана
оксида кальция
КС-1
0,7
0,5
0,8
9,5
0,6
КС-2
0,8
0,6
0,8
9,5
0,9
КС-3
1,0
1,2
0,8
9,5
1,0
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
Наименование месторождения
SiO2
АЬОз
TiO2
Fe2O3
CaO
MgO
K20
Na20
Потери при прокаливании
Берлинское (Челябинск)
53,0
30,0
1,0
3,5
0,4
0,6
0,3
1,2
11,0
Ангренское (Ташкент)
62.0
26,0
-
1,2
0,53
0,4
0,9
3,0
10,0
Ново-Райское (Донецк)
45,3
33,0
1,0
1,3
0,6
0,4
0,8
1,5
6,0
Кембрийское (С.-Петербург)
61,5
18,03
-
4,76
0,30
2,57
5,32
0,16
4,73
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, %
Группа глин
Фракция
до 10 мкм
до 1мкм
Высокодисперсная
Свыше 85
свыше 60
Среднедисперсная
от 60 до 85
от 40 до 60
Низкодисперсная
от 30 до 60
от 15 до 40
Грубодисперсная
30 и менее
15 и менее
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].