Исследование возможности применения продуктов разработки Тюльганского месторождения в производстве керамического кирпича
Исследование возможности применения продуктов разработки Тюльганского месторождения в производстве керамического кирпича
Аннотация
В статье исследуется возможность применения глин и техногенных отходов Тюльганского месторождения в качестве сырья для производства керамического кирпича. В условиях дефицита высококачественных сырьевых компонентов и экологических проблем, связанных с их добычей, предлагается использование бурого угля в качестве добавки для улучшения свойств готовых изделий.
Первоначально проведен химический и минералогический анализ глины Тюльганского месторождения. Химический состав показывает, что глина содержит высокий уровень оксида железа, что характерно для легкоплавких глин. Минералогическое исследование выявило преобладание кварца и каолинита, а также значительное содержание ильменита. Эти данные подтверждают высокую огнеупорность и пластичность глины, а также ее способность к образованию муллита при обжиге. Гранулометрический анализ показывает, что глина относится к группе пылеватых.
Вторым этапом исследования была проведена оценка связующей способности бурого угля в смеси с глиной. Результаты показывают, что максимальное содержание бурого угля в шихте может достигать 80%, при этом необходимо учитывать изменения водопоглощения и пластичности.
Статья обобщает результаты испытаний, подтверждая, что глины Тюльганского месторождения, в сочетании с бурым углем, обладают необходимыми физическими и технологическими свойствами для изготовления керамического кирпича. Это решение способствует рациональному использованию ресурсов и снижению экологической нагрузки от производства строительных материалов.
1. Введение
В настоящее время наблюдается дефицит высококачественного глинистого сырья во всей мировой строительной индустрии, в том числе и в России . Промышленное развитие и добыча полезных ископаемых часто сопровождаются проблемами экологического и экономического характера. Одним из таких примеров является Тюльганский глиняный карьер в Оренбургской области, где осуществляется добыча глин, а также бурого угля. В силу физических свойств бурый уголь данного месторождения нецелесообразно применять в качестве топливного материала, поэтому при разработке карьера его складируют в качестве отходов. В то же время использование отходов производств обеспечивает решение вопросов рационального природопользования вследствие вовлечения их в производство керамических материалов, создания энерго- и ресурсосберегающих технологий по производству строительных материалов, модификации свойств строительных материалов путем замены природных традиционных материалов .
Одним из перспективных направлений применения бурого угля Тюльганского месторождения является использование его в качестве добавки в сырьевой массе при производстве керамического кирпича из глин того же месторождения. Такой подход может решить одновременно и экономические, и экологические проблемы, ограничивающие развитие данной отрасли на территории Оренбуржья, что определило цель исследований – определить возможность применения глины и угля Тюльганского месторождения в качестве основных компонентов сырья для производства керамического кирпича.
Для достижения поставленной цели на первом этапе были изучены основные характеристики сырьевых компонентов и их технологические свойства: дообжиговые и обжиговые.
2. Методы исследования и результаты
При проведении экспериментальной части работы использовались стандартные методики исследования составов и свойств сырьевых материалов: глинистого сырья и бурого угля.
Химический состав глины Тюльганского месторождения определялся в лаборатории, результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав глины Тюльганского месторождения по результатам химического анализа
Содержание оксидов в % на сухое вещество | ||||||||||||
SiO2 | TiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MnO | MgO | CaO | Na2O | K2O | P2O5 | Sобщ | п.п.п. | ∑ |
56,99 | 0,70 | 12,99 | 5,35 | 0,111 | 2,48 | 7,13 | 0,95 | 1,82 | 0,20 | 0,036 | 12,10 | 100,84 |
По данным таблицы можно сделать следующие выводы согласно данным работ авторов , :
- содержание SiO2 (56,99%) низкое, указывает на низкую запесоченность глины;
- алюминий (Al2O3, 12,99%) указывает, что опытная глина относится к группе кислых глин, косвенно свидетельствует, что глина относится по числу пластичности к среднепластичным глинам, позволяет предположить о присутствии в глине минерала каолинита;
- содержание оксида железа (Fe2O3, 5,35%) находится в интервале 3-12%, что характерно для легкоплавких глин ;
- оксид кальция (CaO, 7,13%) и магнезит (MgO, 2,48%) в совокупности показывают высокий уровень содержания, что связано с присутствием в осадочной алюмосиликатной породе карбонатных минералов: кальцита, доломита;
- суммарное содержание оксидов калия (K2O, 1,82%) и натрия (Na2O, 0,95%) относительно низкое. Это указывает на присутствие остатков исходной породы - полевого шпата и механически примешанных частиц слюды;
- потери при прокаливании (12,10%) указывают на присутствие в глине органических продуктов.
По результатам химического анализа глина предположительно относится к группе каолинитовых, для которой характерны высокая пластичность и огнеупорные показатели.
Так как суммарное количество красящих оксидов высоко (Σ Fe2O3, TiO2 = 5,35 + 0,70 = 6,05 %), то, предположительно, в результате обжига изделие из данной глины приобретает красно-коричневые оттенки.
С целью изучения минералогического (вещественного) состава глины в лаборатории проведен петрографический анализ. Влияние минералогического состава на дообжиговые свойства глинистого вещества обусловлено различием влагоемкости глинистых минералов, входящих в состав породы, что связано со структурой и их кристаллической решеткой . На микрофотографии (см. рисунок 1) в проходящем свете видна четкая слоистость глины. Слоевые пласты имеют при этом разную толщину и некоторую неоднородность, наблюдается присутствие мелких зерен, минералов, отличающихся от водных алюмосиликатных минералов. В поляризованном свете слои глины имеют волнистое гашение между скрещенными николями, что указывает на наличие каолинита .
Рисунок 1 - Микрофотография шлифа образца глины Тюльганского месторождения
Примечание: а - в проходящем свете, б – в поляризованном; 1 – зерна кварца; 2 - гидроокислы железа
С целью уточнения петрографических данных выполнен рентгенофазовый анализ глины, полученная рентгенограмма приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Рентгенограмма исходного образца глины Тюльганского месторождения
Расширение межслоевых расстояний в некоторых глинистых минералах достигается насыщением образца глины этиленгликолем (см. рисунок 3), что отражается в смещении пиков дифракции на рентгенограмме
. Пики кварца не смещаются при насыщении этиленгликолем, так как этот минерал не имеет межслоевых пространств, на которые влияет этиленгликоль.
Рисунок 3 - Рентгенограмма образца глины Тюльганского месторождения при насыщении этиленгликолем
Рисунок 4 - Рентгенограмма образца глины Тюльганского месторождения при прокалывании до 550℃
- доминирующий минерал – кварц (более 60%);
- установлено среднее содержание каолинита (20-30%);
- выявлено значительное содержание минерала ильменита (10-20%).
Насыщение этиленгликолем при этом:
- подтверждает наличие каолинита в глине;
- позволяет оценить межпакетные расстояния в каолините;
Прокаливание образца глины до температуры 550°C:
- подтверждает дегидратацию каолинита;
- свидетельствует об образовании муллита – новой фазы.
Основные выводы, полученные в результате проведения рентгенофазового анализа представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Содержание минералов в образцах глины Тюльганского месторождения по результатам проведения рентгенофазового анализа
Минерал | Исходная глина | Насыщение этиленгликолем | Прокаливание до t=550°C |
Кварц | Доминирует | Сохраняется | Сохраняется |
Ильменит | Значительное содержание | Сохраняется | Сохраняется |
Каолинит | Среднее содержание | Подтверждается | Разрушается структура |
Мусковит | Незначительное содержание | Подтверждается | Не обнаружен |
Муллит | Не обнаружен | Не обнаружен | Образуется |
Высокое содержание кварца обеспечивает высокую прочность и огнеупорность кирпича. Наличие ильменита может придавать кирпичу красноватый оттенок. Содержание каолинита определяет пластичность глины, что обуславливает способ формования кирпича. Мусковит способствует повышению прочностных свойств кирпича. Образование муллита увеличивает прочность и огнеупорность готовых изделий. Такие показатели позволяют говорить о возможности применения данной глины в качестве сырья для изготовления керамического кирпича.
С целью определения группы глины Тюльганского месторождения исследован ее гранулометрический состав (см. таблицу 3).
Таблица 3 - Гранулометрический состав глины Тюльганского месторождения
Содержание фракций, % | ||
Песчаных частиц 1,0-0,05 мм | Пылеватых частиц 0,05-0,005 мм | Глинистых частиц<0,005 мм |
1,90 | 41,74 | 56,36 |
Тип сырья определялся по тройной диаграмме В.В. Охотина, представленной на рисунке 5.
Рисунок 5 - Тройная диаграмма распределений фракций «глина-пылеватые-песок» В.В. Охотина для глины Тюльганского месторождения
- сырье относится к группе глин, т.к. содержание частиц диаметром менее 5 мкм более 25%;
- согласно диаграмме В.В. Охотина исследуемое сырье относится к группе пылеватых глин.
Дообжиговые свойства глины представлены в таблице 4
.Таблица 4 - Дообжиговые свойства глины Тюльганского месторождения
Наименование показателя | Усредненное значение |
Граница текучести, % | 38,25 |
Граница раскатывания, % | 18,92 |
Число пластичности | 19, 33 |
Формовочная влажность, % | 25,6 |
Воздушная усадка, % | 10,00 |
Коэффициент чувствительности к сушке | 2,77 |
По данным Таблицы 4 можно сделать выводы, что по числу пластичности опытные глины классифицируются как среднепластичные, а по величине коэффициента чувствительности к сушке глины относятся к высокочувствительному глинистому сырью.
Обжиговые свойства определялись при температуре 1000°С и представлены в таблице 5.
Таблица 5 - Обжиговые свойства глины Тюльганского месторождения
Наименование показателя | Значение |
Огневая усадка, % | 1,56 |
Плотность, г/см3 | 1,76 |
Водопоглощение, % | 15,36 |
Для изучения связующей способности глинистого сырья в качестве отощающей добавки использовался исследуемый бурый уголь Тюльганского месторождения. Связующая способность глинистого сырья оценивалась по изменению числа пластичности (см. таблицу 6).
Таблица 6 - Связующая способность глины Тюльганского месторождения
Содержание бурого угля в шихте, % | Число пластичности |
5 | 18,43 |
10 | 16,77 |
15 | 15,87 |
20 | 14,97 |
25 | 14,07 |
30 | 13,34 |
40 | 12,78 |
50 | 11,39 |
60 | 10,43 |
70 | 9,48 |
80 | 7,56 |
90 | 6,61 |
Несмотря на то, что по числу пластичности максимальное содержание бурого угля в шихте может доходить до 80%, окончательные пропорции устанавливаются, опираясь также на другие результативные характеристики, одной из которых является величина водопоглащения готового образца.
Выводы по результатам исследования дообжиговых свойств шихты:
- по числу пластичности шихта классифицируется как среднепластичная;
- по величине коэффициента чувствительности к сушке образцы с содержанием бурого угля 5% можно характеризовать как высокочувствительные, остальные – среднечувствительные;
- с увеличением содержания бурого угля в шихте увеличивается формовочная влажность.
3. Заключение
Таким образом, по результатам комплекса анализов глины Тюльганского месторождения потенциально пригодны для изготовления керамического кирпича, так как обладают необходимыми физическими свойствами, а бурый уголь, в свою очередь, предварительно может выполнять роль добавки, так как положительно влияет на связующую способность глинистого сырья.