Сырье для производства строительной керамики. Часть 2

1. ЛЕКЦИЯ № 4

Сырье для производства
строительной керамики. – 1 час.
Часть 2.

2. План лекции :

Классификация глинистого сырья.
Химический, гранулометрический и минералогический составы глин.
Оценка их пригодности для производства керамических
строительных материалов и изделий.
Непластичные материалы и добавки к глинам.
Новые виды керамического сырья.
Технические требования к сырью.
Примеси и их влияние на технологический процесс.

3.

Минералогический (вещественный) состав
включает глинистое вещество и примеси
Глинистое вещество – комплекс глинообразующих
минералов, главнейшие из которых – каолинит, монтмориллонит и
гидрослюда
К глинистым минералам также относятся галлуазит, монотермит,
бейделлит и др.
Каолинит имеет частицы размером 1-3 мкм, он не способен
присоединять и прочно удерживать большое количество воды,
при сушке быстро отдает влагу
Каолины с небольшим количеством примесей огнеупорны,
умеренно- и малопластичны, имеют светлую окраску.
Ρист= - 1.8-2.2 г/см3, в кислой среде устойчив

4.

Монтмориллонит – имеет частицы размером менее 1 мкм.
Интенсивно поглощает воду, прочно ее удерживает и трудно
отдает при сушке.
При увлажнении сильно набухает и может увеличиться в объеме
до 16 раз, легкоплавок, высокопластичен
Глинистые породы, в которых преобладают монтмориллонитовые
минералы называются бентонитами
Бентониты – высокопластичны, дают значительную воздушную
усадку, склонны к трещинообразованию при сушке и к
вспучиванию при обжиге. Используются в качестве добавки для
повышения пластичности и связующей способности

5.

Гидрослюда имеет в своем составе оксиды щелочных и
щелочноземельных металлов. Размеры частиц – в пределах 1 мкм.
Гидрослюды умеренно- или среднепластичные, имеют
пониженную температуру спекания
В зависимости от преобладания того или иного глинистого
минерала различают глины каолинитовые, гидрослюдистые,
монтмориллонитовые, гидрослюдисто-каолинитовые,
монтмориллонито-каолинитовые, монтмориллонитогидрослюдистые и полиминеральные, которые содержат три и
более глинистых минералов
Монотермит – тонкая механическая смесь гидрослюды и
каолинита. Набухаемость и водопоглощение сильнее чем у
каолинитов, является пластичной огнеупорной глиной

6.

Глинистое сырье классифицируется по
огнеупорности, по содержанию красящих
окислов, по степени спекаемости, по
пластичности, по содержанию тонкодисперсных и
крупнозернистых фракций, по структуре, степени
уплотнения, текстуре и т.д.
По огнеупорности:
Высокоогнеупорные – температура плавления –
выше 20000С
Огнеупорные – 1580-20000С
Тугоплавкие – 1350-15800С
Легкоплавкие – до 13500С

7.

По содержанию красящих оксидов Al2O3+TiO2 в прокаленном
состоянии:
Высокоосновное – с содержанием Al2O3+TiO2 - более 40 %
Основное – 30-40%
Полукислое – 15-30%
Кислое – менее 15 %
По степени спекаемости:
Сильноспекающиеся с водопоглощением черепка, обожженного при
температуре 13000С (не более 2%)
Среднеспекающиеся с водопоглощением черепка, обожженного при
температуре 1100-13000С (не более 5%)
Неспекающиеся неспособное давать спекшийся черепок (с
водопоглощением черепка не более 5%)
По степени пластичности:
Высокопластичные с числом пластичности более 25
Средней пластичности – 15-25
Умереннопластичные – 7-15
Малопластичные – до 7
Непластичные – неспособное при затворении водой давать
пластичное тесто

8. Группы глин в зависимости от содержания тонкодисперсных фракций, %

Фракция, мкм,
менее 10
Фракция, мкм,
менее 1
(0,001мм)
Высокодисперсная
Свыше 85
Свыше 60
Среднедисперсная
» 60-80
» 40-60
Низкодисперсная
» 30-60
» 15-40
Грубодисперсная
30 и менее
15 и менее
Группа

9.

По содержанию крупнозернистых фракций:
Сырье с низким содержанием включений – не более 1% частиц
размером более 0,5 мм
Со средним -1-5%
С высоким – свыше 5 %
В зависимости от размера включений:
С мелкими включениями – менее 1 мм
Со средними – 1-5 мм
С крупными – свыше 5 мм
В зависимости от вида включений:
С кварцевыми
Железистыми
Карбонатными
Гипсовыми
Органическими

10.

По структуре, определяемой характером
излома:
Грубозернистые
Тонкозернистые
Плотные
Пористые
По текстуре
Однородные
Неоднородные (пестрые)
Слоистые
По степени уплотнения и отвердевания:
Камнеподобные (обезвоженные толщи глин,
аргиллиты, глинистые сланцы)
Пластичные
Рыхлые (глины и суглинки)

11.

По структурно-текстурным особенностям среди
глин можно выделить алевролитовые разности (с
преобладанием зерен крупностью от 0,001 до 0,1
мм), содержание обломочного материала в
которых изменяется от 0,08 до 35 %
Чистые глины имеют оптически-ориентированные
и спутанно-волокнистое строение
В бентонитовых глинах хорошо выражена
реликтовая (древних эпох) пепловая структура
Цвет глин меняется в большой гамме – от чисто
белого до черного в зависимости от вида и
количества примесей

12.

Гранулометрический (зерновой) состав –
количественное соотношение частиц разного
размера, фракций, выраженное в % по массе
Фракция – группа частиц одного размера
Гранулометрический характеризуется содержанием
в них глинистой фракции (мельче 0,005 мм),
пылеватых частиц (0,005-0,14 мм) и песка (0,14-5
мм)
Соотношение между этими фракциями определяет
такие свойства, как пластичность, связность,
усадку, чувствительность к сушке

13.

Химический состав глин характеризует их пригодность для производства
различных глин для производства изделий определенных видов
Химический состав глин представляют следующими оксидами:
Кремнезем в глинах 50-65 , в запесоченных глинах -80-85%
Глинозем от 14 до 45 % и выше, является тугоплавким оксидом, с
повышением его содержания возрастает огнеупорность глин.
В зависимости от содержания оксидов алюминия глины подразделяются на
высокоглиноземистые (свыше 45%), высокоосновные (38-45%), основные
(28-38%), полукислые (14-28%) и кислые (менее 14%)
В производстве изделий строительной керамики обычно используют
основные и полукислые глины
Оксиды щелочноземельных металлов: СаО-0,5-20 %,
МgО –0,24%, способствуют спеканию глин (3-4%), при больших количествах –
повышают пористость черепка
Щелочные оксиды – Nа2О+К2О-5-6%, снижают водопоглощение глин
Оксиды железа –2-14%
Диоксид титана – не более 1,5 %
ППП -3-15 %
SO3 – не более 0,8 %

14.

Глинистую часть составляет особая группа минералов –
тонкозернистые водные алюмосиликаты, которые и определяют
основные свойства глин.
Эти минералам присущи слоистые структуры – они состоят как бы из
множества слоев особого строения и обладают спайностью
В зависимости от строения слоев основные глинистые
минералы подразделяют на группы:
1) минералы из двухэтажных слоев – одного тетраэдрического и
одного октаэдрического; слои образуют структуры минералов
каолинитовой группы (каолинит, диккит, накрит, галлуазит);
2) минералы из трехэтажных слоев – двух тетраэдрических и
заключенного между ними одного октаэдрического слоя; к ним
относятся минералы групп: монтмориллонитовой (монтмориллонит,
нонтронит), вермикулитовой (вермикулит) и гидрослюдистой
(гидромусковит, иллит, глауконит);
3) минералы из пакетов, сложенных из одного одноэтажного
(октаэдрического) и одного трехэтажного слоев; к ним относятся
минералы хлоритовой группы (хлорит);
4) особую группу глинистых минералов образуют минералы-сростки,
представлющие собой сочетание структур из двух- и трехэтажных
слоев (монотермит, бейделлит)

15.

Глинистые минералы, составляющие основу пород,
в большинстве своем имеют кристаллическую
решетку.
Для глинистых минералов характерно 2 типа
размещения атомов в кристаллической решетке тетраэдрический и октаэдрический.
Вокруг катиона кремния (Si) на равных
расстояниях, как бы в вершинах четырех
правильных треугольников расположены 4 иона
кислорода.
В основе октаэдрического типа структурных
элементов лежит восьмигранник с гранями в виде
правильных треугольников. В вершинах
треугольников располагаются ионы О и
гидроксильные ионы (ОН), а в центрах октаэдров
ионы алюминия или железа, магния, цинка, хрома
и др.

16. Классификация глинистых минералов ( формы кристаллов):

Аморфные - группа аллофанаА12Оз8SiO25Н20
Кристаллические.
2.1 Двухслойные.
2.1.1 Кристаллы изометрические - группа каолинита А12О3SiO22Н20.
2.1.2 Кристаллы удлиненные - группа галлуазита А1203 SiO2-2Н2ОН20.
2.2 Трехслойные.
2.2.1 С расширяющейся решеткой:
кристаллы изометрические - группа монтмориллонита А12034SiO2Н20nН20;
кристаллы удлиненные - контронит, сапонит Fе203-2SiO22Н20
2.2.2 С нерасширяющейся решеткой - группа иллита
(гидрослюда) К2ОМgО-4А1203-7SiO22Н20
Минералы с правильным чередованием слоев разного типа.
Минералы цепочных структур, со строением в виде двух цепей тетраэдров (Si),
связанных октаэдрическими группами О и ОН с атомами А1 и Мg (сетюлит и
палыгорскит).
Объединенные тетраэдры создают тетраэдрические сетки, а октаэдры —
октаэдрические.

17.

В зависимости от того, какой элемент
преобладает в тетраэдрах, возникают
многочисленные разновидности
монтмориллонита: Na-бентонит; Аl —
монтмориллонит; Мg - сапонит; Fе нонтронит (Н2Fе2Si209) железистый
эквивалент каолинита.

18.

По вещественному составу (т.е. соотношению глинистых минералов и
примесей) глинистое сырье разделяется на группы: глина, суглинок, супеси,
лессы, мергель.
Глина - природный землистый, тонкозернистый материал, содержащий 30 % и
более глинистых частиц. Чаще всего глины полиминеральны, но могут быть
сложены преимущественно и одним глинистым минералом.
Суглинки — тонкозернистая глинистая порода, содержащая 1030 % глинистых частиц (глина, окрашенная бурым железнякои и содержащая
кварц).
Лесс – пылевидный кварцевый песок на глинисто-известковой связке
Глины и суглинки с большим содержанием пылеватых частиц
относятся к лёссовидным, в них содержание СаСО3 более 10 % (до 15-20 %
и более от общего веса). Пылеватость определяет основные свойства
глинистых пород
Лессы – разновидность глинистых материалов , состоящие из пылеватых
частиц с большим количесством известковых включений – до 15-20 % и более
от общего веса
Супеси - это мелкообломочные горные породы с небольшим
содержанием глинистых минералов от 3 до 10 %
Мергель – древняя порода, богатая углекислой известью глина

19.

Сланец — тонкослоистая порода, содержащая
незначительное количество глинистых частиц, они обладают
большей плотностью, чем глины. В измельченном виде
после затворения водой сланцы обладают пластичностью и
формующей способностью. Образуются из глин путем
уплотнения без существенных химических и
минералогических изменений
Отходы углеобогащения обладают недостаточно
стабильными свойствами, но могут использоваться как
основное сырье в производстве кирпича и керамических
камней. Содержание оксидов в зависимости от
месторождения, %:
SiO255-63; А12Оз 17-23; Fе2О3 3-11; СаО до 3,8; R2О до 2,7;
содержание угля в пересчете на С 5-25.
Отходы углеобогащения Донецкого, Кузнецкого,
Карагандинского, Печерского,Экибастузского и других
бассейнов относятся и группе с содержанием — 70 %
глинистых минералов.

20.

Золы ТЭС состоят в основном из кислого алюмосиликатного
стекла, аморфизированного глинистого вещества, кварца,
полевого шпата, муллита, магнетита, гематита и остатков
топлива. По нормам допустимое содержание остатков горючих в
золе-уносе ТЭС должно находиться, % от массы золы: бурых
углей и сланцев менее 4, каменных углей 3—12, антрацита 15—
25.
В производстве кирпича золу с удельной поверхностью 2000—
3000 см2/г используют в качестве основного сырья и в
качестве отощающей и выгорающей добавки.
В связи с повышенной влажностью и наличием шлака золу
отвала перед подачей в производство необходимо подсушивать
в естественных условиях и измельчать шлаковые включения.
Удельная теплота сгорания золы в зависимости от содержания
несгоревших частиц топлива 4200—12500 кДж/кг (1000-3000
ккал/кг).
В глиняную массу вводят 15—45 % золы ТЭС.
Предпочтение следует отдавать золам с низким содержанием
СаО+МgО и температурой размягчения до 12000С.

21.

Отощающие материалы вводят в массы для уменьшения
усадки при сушке и обжиге изделий для сохранения формы
изделия в процессе его изготовления, облегчить и ускорить
процессы сушки и обжига.
Флюсы улучшают спекание керамического черепка при
обжиге, снижают температуру обжига.
Для производства обыкновенного строительного кирпича
применяют всевозможные простые сорта легкоплавких
песчанистых глин, а иногда и мергелистые глины, не
содержащие вредных примесей грубых камней, известковых
“дутиков” , колчедана, гипса, крупных включений
органических веществ и т.п.

22.

-
Примесями являются все составные части
глинистой породы, не обладающие свойствами
глинистых минералов
Примесями могут быть
карбонатные включения
железистые минералы
щелочные оксиды
органические примеси
гипс
растворимые соли
слюда

23. Новые виды керамического сырья

Цеолиты - это каркасные алюмосиликаты, в структуре которых
имеются сообщающиеся между собой полости, занятые катионами
различных элементов (чаще щелочных и щелочноземельных) и
молекулами воды, способными свободно удаляться и поглощаться
структурой, благодаря чему происходит ионный обмен и обратимая
дегидратация без разрушения структуры.
Одним из первых диагностических признаков цеолитов являлось
«вскипание» при их быстром нагревании до пиропластического
состояния или расплавления, что нашло отражение в названии этих
минералов. Термин "цеолит" в переводе с греческого означает
кипящий камень («zeo» - вскипаю и «lithos» - камень). Плотность
цеолитов составляет 1,9-2,3 г/см3. Свободный объем или открытая
пористость дегидратированных цеолитов изменяется в широких
пределах от 0,18 до 0,53 см3 в 1 см3 кристалла или 18-53 % по
объему.

24.

Мелкокристаллическая структура цеолитовых пород,
обеспечивающая псевдопластические свойства
керамическим массам на их основе, позволяют
рассматривать эти породы наряду с традиционными
глинами, в качестве керамического сырья.
При наличии большого количества глинистых минералов
в туфе они могут обладать достаточными формовочными
свойствами без добавления пластифицирующих
материалов.
Цеолитизированные породы, спекающиеся при 1000°С,
являются наиболее перспективными для изготовлении
строительных керамических материалов.

25.

Диопсид - (CaO MgO 2SiO2) относятся к числу важнейших
породообразующих минералов, широко распространенных в природе и
принадлежит к группе пироксенов.
По преобладающему составу различаются магнезиально-железистые,
кальциевые, натриево-кальциевые, натриевые и литиевые
клинопероксены.
Диопсиды железистой группы представляют собой породу зеленоватого
цвета с суммарным содержанием Fe2CO3, ТiO2 и MnO от 4 до 8 %; А12O3 1,5-4 %; R2O-0,3-0,4 %.
Химический состав безжелезистых диопсидов колеблется в следующих
пределах, мас. %: SiO2- 51-77; СаО - 12-27; MgO — 7-15; А12O3-0,2-0,25;
R2O - 0,1-0,18; п.п.п - 1,2-2,1.
Исследованиями влияния добавок диопсида на спекание и свойства
плиточных масс установлено, что введение диопсидного компонента в
состав майолики и фаянса существенно улучшает их свойства, при этом
температура обжига снижается до температуры, близкой к 1100 °С.

26.

Волластонит β-Ca3Si3O9 - имеет цепочное строение с
кольцевым радикалом Si3O9, с периодом по оси равным 0,73
Нм. Теоретически в волластоните содержится СаО - 48,25 %,
SiO2 -51,75%.
При нагревании β-волластонит переходит в α-волластонит с
изменением плотности от 2,87 до 3,09 г/см3.
Температура плавления волластонита составляет 1540 °С.
Основной объем добываемого волластонита используется в
керамике. В Японии применяют также в изоляционной
промышленности в виде пеноволластонита.
Технологическая ценность волластонита состоит в
значительном снижении влажностного расширения черепка
после обжига, уменьшении усадки почти вдвое и увеличении
прочности керамического черепка.
Введение волластанита в глазури способствует хорошему их
разливу, придает им блеск и прочность.