2.2. 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

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].