|
Рассматриваются особенности испытания глин для производства лицевого кирпича, поризованного кирпича, клинкерных изделий. Показаны существующие проблемы в организационном, методическом и аппаратном обеспечении испытаний. Изложены основные требования к исследованиям глин и даны рекомендации.
Керамический кирпич является универсальным отделочно-конструкционным материалом с высокими архитектурно-декоративными свойствами. Прочность, долговечность, цветоустойчивость, высокие гигиенические и эстетические качества кирпича, доступность глинистого сырья позволили ему стать одним из самых распространенных и востребованных изделий.
В условиях современного строительства наиболее перспективно производство лицевых, поризованных и клинкерных керамических изделий. Однако дефицит качественного кирпича наблюдается во многих регионах России. Вопрос повышения качества продукции остается одним из самых важных для кирпичных заводов, как для действующих, так и для строящихся.
В большинстве случаев низкое качество выпускаемого кирпича связано с недостаточным уровнем исследований глин и слабой отработкой технологических параметров. Именно глинистое сырье, его физико-химические и керамические свойства определяют особенности разработки карьера, состав шихты, оптимальные технологические параметры, необходимый количественный и качественный состав оборудования и в конечном итоге свойства готовых изделий. Общие затраты на детальные исследования могут достигать нескольких десятков тысяч евро, но эти затраты окупаются высоким качеством выпускаемой продукции.
Однако даже в европейских промышленно развитых странах вопросам отработки технологии на стадии лабораторных испытаний не уделяется должного внимания. Результаты исследований часто имеют поверхностный характер. В России проблема осложняется малым количеством по настоящему оснащенных и подготовленных лабораторий. Можно утверждать, что их число определяется единицами. Рекомендуется, прежде чем проводить исследования сырья обязательно получить информацию об опыте ведущих специалистов лаборатории, их квалификации, опыте работы в данной области, наличии современного оборудования.
Другой веской причиной недостаточно квалифицированных исследований является то, что при проведении испытаний основным руководством являются "Методические указания по испытанию глинистого сырья для производства обыкновенного и пустотелого кирпича, пустотелых керамических камней и дренажных труб", утвержденные Министерством промышленности строительных материалов СССР в 1975 г. При большом научно-практическом значении разработанных методов исследований глин, указанная методика является устаревшей и имеет ряд существенных недостатков. Все это отрицательно сказывается на результатах испытаний сырья и впоследствии на качестве выпускаемой продукции.
Нами усовершенствована методика исследований глинистого сырья для производства керамического кирпича способом пластического формования, что позволяет:
- получить более полную, точную и полезную информацию о свойствах глины;
- повысить уровень лабораторных исследований;
- использовать потенциальные возможности глинистого сырья для повышения качества и расширения ассортимента керамических материалов.
Программа испытаний глинистого сырья разработана таким образом, чтобы при проведении исследований получить наиболее полную информацию о данной глине, ее составе, свойствах, поведении в процессе технологической переработки, формования, сушки и обжига. Данная программа включает:
- физико-химический анализ;
- определение керамических характеристик сырья;
- технологические испытания методом пластического формования для получения лицевого кирпича, поризованного кирпича, клинкерных изделий.
Следует отметить, что достоверность результатов исследований в значительной степени зависит от представительности отобранных технологических проб глинистого сырья. Обеспечение качественного отбора проб с месторождения является начальным и очень важным этапом при проведении исследований сырья. Для объективной оценки месторождения глинистого сырья необходимо, чтобы отбор представительных проб осуществлялся непосредственно специалистами лаборатории на основании детального анализа геологоразведочных данных.
При физико-химическом анализе сырья обязательными являются следующие определения: макроскопическая характеристика, химический состав, содержание и состав водорастворимых солей, минералогический состав по методам дериватографического и рентгенофазового анализов.
Макроскопическое описание пробы глинистого сырья выполняют с целью определения внешнего вида, макроструктуры, цвета и плотности. При этом также фиксируют наличие включений и степень вскипания пробы при взаимодействии с 10 %-ным раствором соляной кислоты.
Глинистые минералы в основном представляют собой гидратированные алюмосиликаты кальция, магния, железа и т.д. и поэтому традиционный химический анализ дает первое общее представление о составе сырья и некоторых будущих свойствах изделий. Так, по количеству красящих оксидов, в частности, оксида железа, в сочетании с содержанием оксидов кальция и магния можно судить о цвете черепка из данного сырья, по количеству оксида кальция, магния и диоксида углерода - о количестве примесей кальцита и доломита, по количеству оксида алюминия в сочетании с содержанием оксидов натрия, калия и железа - о температуре плавления глины, по количеству оксида кальция, магния - о характере поведения керамического черепка при обжиге в диапазоне температур 700-900оС и свыше 1100оС и т.д.
Состав и количество водорастворимых солей в глине дает представление о том, появятся ли высолы на поверхности изделий и позволяют выбрать методы их устранения. Нет необходимости говорить о том, насколько важно проведение данного анализа при испытании глинистого сырья для производства лицевого кирпича.
Далее необходимо знать (желательно как можно полнее) минералогический состав сырья. Какие именно глинистые минералы формируют данное сырье, какие примеси присутствуют в сырье: количество свободного кварца, полевых шпатов, кальцита, доломита, количество и формы железистых соединений и т.д.
Обычно сырье имеет полиминеральный состав и в нем присутствуют одновременно несколько глинистых минералов, имеющих различные технологические свойства. Так, например, присутствие в сырье каолинита повышает огнеупорность изделий и обязывает технологов обратить особое внимание на режимы формования и обжига изделий. Монтмориллонитовые глины по сравнению с каолинитовыми и гидрослюдистыми имеют наиболее высокую степень дисперсности, наибольшую набухаемость, высокую пластичность, связующую способность, усадку и чувствительность к сушке и обжигу. Гидрослюдистые глины занимают среднее положение между каолинитовыми и монтмориллонитовыми. В природе, однако, редко встречаются глины, имеющие в своем составе один минерал, поэтому их классифицируют по преимущественному содержанию того или иного минерала.
Данные по минералогическому составу (особенно количественные) получить довольно трудоемко и здесь привлекается большое количество различных дорогостоящих физико-химических методов исследования. В частности рентгенофазовый анализ, позволяющий увидеть количество присутствующих в сырье кристаллических соединений. Эти данные необходимо сопоставлять с результатами химического и других анализов.
Рентгеновский анализ позволяет более определенно и достоверно судить о реальном, всегда сложном, минералогическом составе сырья, ибо хорошо известно, что все технологические и эксплуатационные свойства керамической продукции определяются именно особенностями минералогического состава исходного глинистого сырья. Напомним, что рентгеновский метод исследования базируется на дифракциии рентгеновских лучей от кристаллических решеток минералов и последующей их интерферренции по вполне определенным физическим законам. Каждое кристаллическое образование имеет свой специфический набор (спектр) дифракционных отражений, по которым это соединение надежно идентифицируется и определяется количественное содержание в сложной естественной или искусственной смеси.
Однако, для идентификации относительно рентгено-аморфных соединений, с несовершенной кристаллической структурой, в частности, глинистого минерала - монтмориллонита, рентгеновского анализа недостаточно для получения полной картины фазового состава и он дополняется дериватографическим анализом.
Дериватографический анализ основан на определении различных тепловых эффектов при нагревании образца. Кривая ДТА характеризует основные физико-химические процессы, происходящие в пробе при ее нагревании.
Эндотермические эффекты, идущие с поглощением тепла, свидетельствуют о разрушении исходных кристаллических или рентгено-аморфных соединений; процессах плавления и т.п. Экзотермические эффекты на кривой ДТА, происходящие с выделением тепла, обычно говорят о процессах новой кристаллизации, выгорании органики и т.д.
На следующем этапе необходимо определить керамические характеристики сырья: засоренность крупнозернистыми включениями, активность карбонатных включений, гранулометрический состав, пластичность, чувствительность к сушке, показатель критической влажности, спекаемость и огнеупорность. Кроме этого для исследования термических свойств глин используют методы дилатометрического и дериватографического анализов. На этом же этапе определяют дисперсность отощающих добавок.
Содержание крупнозернистых включений выполняют методом промывки пробы на сите 0,5 мм с последующим рассевом на ситах 5, 3, 2 и 1 мм. Данный анализ дает представление о содержании в пробе крупных каменистых включений, включений кварца, карбонатов, органики и др. На этом этапе также определяют содержание и активность крупных карбонатных включений. Результаты данного анализа используются при решении вопроса о необходимой степени измельчения исходного глинистого сырья.
Для получения информации о глинистой части пробы делают гранулометрический анализ методом пипетки, позволяющий определить размеры частиц глинистого сырья. Так глинистые минералы, имеющие размеры в несколько микрон и менее будут, естественно, находиться в таких фракциях (0,005-0,001 и менее 0,001 мм.), а, например, свободный кварц в наиболее крупных фракциях (свыше 0,01 мм). Для определения качественного и количественного состава глинистого сырья в дальнейшем данные, полученные с помощью других анализов, сверяют с результатами гранулометрического анализа.
Пластичные свойства глин характеризуются влажностью и изменяются для одной и той же глины в зависимости от количества воды. Переход глины от одной консистенции к другой совершается при определенных значениях влажности, которые получили название пределов пластичности. Влажность, при которой глина переходит из пластичного состояния в текучее, называется верхним пределом пластичности, или границей текучести. Влажность, при которой глина переходит из пластичного состояния в хрупкое, называется нижним переделом пластичности или границей раскатывания. Разность между верхним пределом и нижним пределами пластичности являются характеристикой пластичности глин, и называется числом пластичности. Определяют эту характеристику с помощью прибора Васильева. За рубежом пользуются показателем пластичности по Аттербергу.
По числу пластичности глины классифицируются как высокопластичные с числом пластичности более 25, среднепластичные - 15-25, умереннопластичные - 7-15, малопластичные - менее 7 и непластичные, которые вообще не дают пластичного теста. Показатель пластичности коррелирует с гранулометрическим составом глины и естественно с минералогическим составом, т. е. определяется содержанием глинистого вещества в сырье.
Исследование сушильных свойств сырья занимает весьма существенное место в лабораторно-технологических исследованиях. Сушильные свойства сырца, его формуемость напрямую связаны с количеством монтмориллонита. Чем его больше, тем выше чувствительность сырья к сушке. Однако это утверждение относится к глинам с общим содержанием глинистого вещества не менее 30-40 %.
В случае с меньшим содержанием глинистого вещества также часто отмечают появление трещин при сушке, но оно возникает по причине недостаточной связующей способности массы, и тогда говорят об относительно большом количестве пылеватых частиц. На наш взгляд правильнее говорить не о пылеватых частицах вообще, а о содержании минеральной составляющей (кварца, кальцита, полевых шпатов и т. д.), представленной частицами соответствующих размеров.
В практической работе при определении чувствительности сырья к сушке чаще всего пользуются двумя методами А.Ф. Чижского и З.А. Носовой.
По ускоренному методу Чижского сформованную пластинку образца, размером 55х55х10мм облучают мощным тепловым потоком до появления на пластинке трещин. Время появления трещин (в секундах) и является критерием чувствительности глин к сушке. Источником облучения служит электрическая плитка с закрытой спиралью мощностью 800 ватт.
Этот относительно простой и быстрый метод позволяет в какой-то степени оценить чувствительность глин к сушке и условно отнести их к одной из трех групп: высокочувствительные к сушке глины, когда трещины появляются ранее 100 секунд облучения, среднечувствительные - трещины появляются через 100-180 секунд и малочувствительные, когда трещины появляются более, чем через 180 секунд.
По методу З.А. Носовой свежесформованный образец-пластинку взвешивают, измеряют объем. После чего образец сушат при комнатной температуре до воздушно-сухого состояния, взвешивают и вторично определяют объем образца. Безразмерная величина коэффициента чувствительности к сушке определяется по формуле:
где Vo и V - соответственно значения объемов свежесформованного и сухого образцов, см3;
Mo и M - соответственно значения масс свежесформованного и сухого образцов, г.
По величине коэффициента Кч глины делятся на 3 группы: малочувствительные Кч<1, среднечувствительные Кч=1-1,5 и высокочувствительные Кч>1,5.
Хотя этот метод и является более надежным, чем ускоренный метод Чижского, на практике наблюдаются частые его расхождения с реальными результатами.
При оценке сушильных свойств глинистого сырья часто используют показатель критической влажности. На кривой, показывающей зависимость усадки образца и удаляемой влаги, определяют значение влажности соответствующей моменту прекращения усадки образца. Принято считать, что сырцовые изделия из данного сырья при такой влажности можно сушить уже интенсивно.
По нашему мнению, знание такой характеристики, как критическая влажность очень полезно, но методика ее определения явно не совершенна, т.к. сушка производится при температуре 1000С. Нами отмечено, что в этом случае процесс сушки отличается от сушки при более низких температурах и более высоких влажностях, в частности значительно снижается усадка (в полтора-два раза).
Более достоверные результаты можно получить по методу Биго, предусматривающему сушку в естественных условиях под воздействием небольшого воздушного потока. В этом случае данные по усадке совпадают с данными, полученными при дальнейших испытаниях.
При исследовании обжиговых свойств сырья нами применяется дериватографический анализ, о котором упоминалось ранее, дилатометрический анализ, определение спекаемости и огнеупорности.
Спекаемость - это способность керамического черепка иметь водопоглощение менее 5 % в определенном температурном диапазоне без появления деформаций (вспучивания, оплавления). Этот показатель мало используется в кирпичной промышленности, т.к. подавляющее большинство глин являются неспекающимися. Однако информация об изменении плотности и водопоглощения с повышением температуры нами используется.
Огнеупорность - свойство керамических материалов противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Глины для производства керамических стеновых материалов и черепицы преимущественно является легкоплавкими.
Дилатометрический анализ весьма важен для выбора оптимальных режимов обжига керамических изделий.
При дилатометрическом анализе выявляется необходимая информация о происходящих при нагреве линейных изменениях образца, начале появления жидкой фазы, т.е. информация о начале интенсивного спекания в образце. Вид и количество образующейся стеклофазы в значительной степени определяют будущие эксплуатационные свойства изделий.
На дилатометрических кривых хорошо наблюдается термическое и структурное расширение образца при нагреве, относительно быстрое термическое расширение при кварцевом переходе и обратная усадка при охлаждении изделия. Также удобно наблюдать термическое соответствие основного сырья и добавок. Естественно, что коэффициенты термического расширения отдельных компонентов сырьевой смеси должны быть близкими и не приводить к появлению нежелательных микротрещин.
В целом анализ результатов исследований физико-химических и керамических свойств сырья дает первоначальное представление о поведении глины в процессах технологической переработки, формования, сушки, обжига, а также о будущих свойствах изделий. Это позволяет оценить возможные проблемы, принять меры для их устранения и сориентироваться при проведении технологических испытаний.
Технологическая часть исследований включает подготовку сырья и добавок, составление шихт, их переработку, формование, сушку и обжиг. Это весьма трудоемкая и ответственная часть исследований и ее успешное проведение зависит от полноты объема информации, полученной на стадии изучения свойств сырья.
Целью лабораторно-технологических исследований является подбор шихты, получение конкретных данных о формовочных, сушильных и обжиговых свойствах подобранной шихты, прочностных характеристиках изделий, их долговечности и морозостойкости.
Подготовку масс в лабораторных условиях проводят по пластическому или сухому способу. Выбор способа подготовки зависит от влажности исходного сырья, количества, размера, вида и твердости крупнозернистых включений, а также от состава шихты.
Способ подготовки корректирующих добавок определяется их назначением, дисперсностью, твердостью и другими параметрами.
По пластическому способу глинистое сырье подвергают грубому измельчению, смешивают с добавками и увлажняют до формовочной влажности в глиномешалке. После этого массы дважды обрабатывают на вальцах тонкого помола и пропускают через пресс с гранулирующей решеткой без вакуума. При пластическом методе подготовки возможно измельчение сырья до размера частиц не более 0,7 мм.
По сухому способу сырье высушивают до относительной влажности не более 5 % и подвергают измельчению в щековой дробилке и молотковой мельнице. При этом методе подготовки возможно измельчение сырья до размера частиц не более 0,3 мм. После этого глину смешивают с добавками, увлажняют до формовочной влажности в глиномешалке и потом гранулируют.
В каждом конкретном случае параметры, количество и последовательность операций подготовки масс могут изменяться в зависимости от условий переработки сырья на производстве, позволяя получить более достоверные результаты исследований. С другой стороны это позволяет установить необходимую степень переработки глинистого сырья с учетом его засоренности крупными каменистыми и, в особенности, карбонатными включениями, а также с учетом минералогического и гранулометрического состава и т.д. В результате определяется набор оборудования, обеспечивающего заданную степень переработки глины.
Формование образцов проводят на лабораторном вакуумном прессе. Разрежение в вакуум-камере должно составлять 0,09-0,095 МПа. Обязательно определение формовочной влажности шихты, давления в головке пресса, температуры и пластической прочности бруса. Параметры формования зависят от глинистого сырья, состава шихты, вида изделий и определяются экспериментально.
Недопустимо формование образцов вручную методом набивки массы в формы. Результаты исследований в этом случае существенно отличаются от действительных. Это относится и к образцам, которые формуют для определения керамических характеристик сырья - чувствительности к сушке, критической влажности, степени и температуры спекания, а также для дилатометрического анализа.
Из каждой массы формуют образцы-плитки размером 200х80х10 мм для определения отношения шихт к сушке и обжигу. Для исследования сушильных и обжиговых свойств формуют следующие образцы, при получении:
- лицевого кирпича - полнотелые и пустотелые (пустотность 28%) кирпичики размером 80х40х30 мм;
- поризованного кирпича - пустотелые кирпичики размером 80х40х40 мм с пустотностью 54 %;
- стенового и дорожного клинкерного кирпича - полнотелые кирпичики размером 80х40х30 мм.
При исследовании сушильных свойств необходимыми определениями являются: критическая влажность, чувствительность к сушке, трещиностойкость опытных масс, усадка, предел прочности при изгибе и средняя плотность высушенных образцов. Для исследования трещиностойкости нами используется лабораторная труба-сушилка, позволяющая сушить образцы при различной температуре, скорости подачи теплоносителя и его относительной влажности. Анализ характера трещинообразования и других сушильных свойств играет существенную роль при выборе состава шихты и определении параметров сушки.
Обжиг образцов проводят в электрической печи. Исследование обжиговых свойств включает дилатометрический анализ, определение огневой и общей усадок, физико-механические и прочие испытания. Обязательны следующие определения: предел прочности при сжатии и изгибе, средняя плотность, водопоглощение, морозостойкость, испытания на пропаривание и капиллярный подсос, оценка внешнего вида обожженных образцов. Для клинкерных изделий помимо приведенных выше исследований необходимо определение деформации под нагрузкой в обжиге и истираемости. Параметры обжига устанавливают с учетом результатов дилатометрических и дериватографических исследований.
В результате исследований составляют заключение о пригодности глинистого сырья для производства керамического кирпича. Разрабатывают технологический регламент производства, включающий рекомендации по разработке карьера, составы шихт, параметры технологии, набор и качественный состав оборудования, предполагаемые свойства готовых изделий и т.д. Технологические параметры производства и свойства изделий корректируют в процессе пусконаладочных работ.
Результаты испытаний считают положительными, если глинистое сырье можно рекомендовать для производства керамических изделий со следующими основными свойствами:
- для лицевого пустотелого и полнотелого кирпича: марка по прочности - не менее М150, водопоглощение - не более 14 %, марка по морозостойкости - не менее F50;
- для поризованного кирпича: марка по прочности - не менее М100, средняя плотность - не более 800-900 кг/м3, марка по морозостойкости - не менее F50;
- для стенового клинкерного кирпича: марка по прочности - не менее М300, водопоглощение - 4-8 %, марка по морозостойкости - не менее F100.
- для дорожного клинкерного кирпича: марка по прочности - не менее М700, водопоглощение - не более 4 %, марка по морозостойкости - не менее F200, истираемость - не более 0,5 г/см2.
При этом для лицевого и клинкерного кирпича отколы от содержания в сырье карбонатных включений и высолы от водорастворимых солей недопустимы.
Применение изложенных методов исследований позволяет максимально использовать свойства глин для производства керамического кирпича высокого качества.
|
Публикации 
