Химия кремния. Учебное пособие для СПО

различными катионами, не меняя при этом кристаллическую структуру. Самыми распространенными минералами являются нефелин и полевые шпаты.

Слоистые или листовые силикаты и алюмосиликаты включают в себя слюды,

глинистые минералы, тальк и т.п., большинство из которых относятся к породообразующим.

Гидросиликаты алюминия представляют собой обширную группу минералов, являющихся компонентами каолинов и глин, являясь основными видами сырья в производстве керамических изделий и строительных материалов. К гидросиликатам относятся диккит, галлуазит, каолинит, метагаллуазит и накрит.

Каолинит представляет собой продукт химического превращения и разрушения полевошпатовых горных пород.

При воздействии с водой каолинит образует пластичную массу, а при обжиге – кристобаллит и муллит.

Всостав большинства глин, помимо минералов каолинитовой группы, входят минералы группы аллофана и группы монтмориллонита (монтмориллонит, бейделит), включая гидрослюду, представленную монотермитом.

Совокупность всех перечисленных минералов является основой промышленных каолинов и глин.

Вприроде редко можно встретить глины без примесей. Чаще всего в качестве примесей они содержат кварцевые пески, магнезиты, известняки, железистые соединения

идр.

Свойства глин напрямую зависят от минерального состава примесей и гидросиликатов алюминия. Глины, содержащие песок в соотношении 3-7 частей песка на 1 часть глины, называются суглинками, содержащие 7-10 частей песка – супесями, 10-50 частей – глинистыми песками.

Глины, содержащие большой процент соединений железа, называются охристыми или железистыми, а содержащие большой процент известняков – мергелистыми.

Мергелем называется тонкодисперсная глинистая порода, в которой содержится

50/50 А12O3+Fе2O3+SiO2 и СаО.

Мергелистые глины и мергель являются основным сырьем в производстве портландцементного клинкера.

Флоридиновые или отбеливающие глины обладают пористостью и применяются в качестве поглотителей. Для различных нужд человека активно используются мылоподобные, битуминозные, сухарные и сланцеватые глины, а также глинистые слайды.

Из различных видов глин изготавливаются майолика и терракота, черепица, строительный и огнеупорный кирпич, плитка для полов, канализационные трубы, облицовочная керамика, технический и санитарный фаянс и многое другое. Применяются в производстве специальных масс, фарфора, портландцемента.

Основополагающим в производстве глиняных изделий являются адсорбционные свойства, изменение цвета при обжиге и последующая окраска, связность и связующая способность и ряд других свойств.

41

4.6. АЛЮМОСИЛИКАТЫ. СЛЮДЫ

Алюмосиликаты представляют собой группу природных и синтетических силикатов, имеющих в составе комплексных анионов атомы кремния и алюминия (например, [AlSi4O10]−, [AlSiO4]− [Al2Si3O10]2−, катионами могут выступать K+, Na+, Ca2+, Mg2+, реже Li+, Ba2+. Это породообразующие минералы, составляющие большинство горных пород земной коры (изверженные, за исключением ультраосновных, метаморфических, обломочных и осадочных). В земной коре содержится около 50 % природных алюмосиликатов, к которым относятся глинистые минералы (каолиниты), слюды и полевые шпаты (ортоклаз, анортит).

В гранитах доля алюмосиликатов по объему составляет 65–75 %. Большинство алюмосиликатов (некоторые слюды, щелочные полевые шпаты, петалит, лазурит, нефелин, поллуцит и др.) являются ценным минеральным сырьем. Доля полевых шпатов во всей литосфере составляют 58 %, которые являются наиболее распространенными минералами. Разновидности полевых шпатов – ортоклаз и плагиоклазы.

Ортоклаз (калиевый полевой шпат) K2О•Al2О3•6SiО2, представляет основную часть гранитов и сиенитов.

Плагиоклазы являются смесью твердых растворов альбита (натриевого полевого шпата) Na2О•Al2О3•6SiО2 и анортита (кальциевого полевого шпата) CaO•Al2О3•2SiО2, входящих в состав основных и кислых горных пород. Предел прочности полевых шпатов ниже, чем прочность кварца. Под действием воды, содержащей углекислоту, они выветриваются с образованием каолинита.

Слюды представляют водные алюмосиликаты, имеющие слоистое строение, способные к расщеплению на тонкие пластинки, наиболее часто встречаются мусковит (калиевая бесцветная слюда, имеющая высокую химическую стойкость), попадающийся в изверженных и осадочных породах и биотит (железисто-магнезиальная слюда, имеющая черный либо зелено-черный цвет), который можно встретить в изверженных породах.

Вермикулит представляет водную разновидность слюды, образованную из биотита под воздействием гидротермальных процессов. Если вермикулит подвергнуть нагреванию при температуре 750 °С, то химически связанная вода теряется, а его объем увеличивается в 18–40 раз. Вспученный вермикулит используется как теплоизоляционный материал.

Слюды влияют на прочность горных пород, ускоряя их выветривание.

Каолинит – Al2О3•2SiО2•2H2О является минералом, образующимся в результате разрушения полевых шпатов и слюд. В земной коре содержится в виде рыхлых масс. Используется в производстве керамических материалов.

Силикат алюминия является типичным представителем алюмосиликатов, представляет собой неорганическое соединение, соль алюминия и кремниевой кислоты (Al2O3•SiO2), в виде бесцветных, нерастворимых в воде кристаллов. В природе встречается в виде минералов кианита и силлиманита. Искусственным путем можно получить при спекании оксидов кремния и алюминия под воздействием температуры

875 ºС:

Al2O3 + SiO2 → Al2O3•SiO2

В кристаллической структуре алюмосиликатов, помимо кремнекислородных тетраэдров SiO4, наличествуют алюмокислородные AlO4, объединенные общими

42

кислородными атомами, образующие бесконечный трехмерный каркас или плоские сетки, гораздо реже одинарные либо двойные цепочки и кольца.

Алюмосиликаты классифицируются следующим образом:

-каркасные (фельдшпатоиды, полевые шпаты, скаполит и др.);

-слоистые (слюды, хлориты, пренит и др.);

-кольцевые (кордиерит);

-цепочечные (авгит);

-ленточные (роговая обманка).

Кристаллическая решетка алюмосиликатов может содержать как строго упорядоченные, так и статистические (беспорядочные) атомы алюминия, что обуславливает различную степень структурной упорядоченности, находящуюся в зависимости от температуры и скорости кристаллизации, режима летучих и других факторов.

Всоставе алюмосиликатов в качестве катионов преобладают калий, натрий, кальций, иногда магний и железо, редко литий и барий. В основном алюмосиликаты являются легкими минералами со светлой окраской, имеющими небольшие плотности, высокие твердости и стеклянный блеск. Основное отличие алюмосиликатов от карбонатов – отсутствие реакции с хлороводородом.

Алюмосиликаты с химической точки зрения представляют собой водные либо безводные соли кремниевых кислот.

Синтетическим путем для промышленных целей искусственные алюмосиликаты получаются посредством спекания либо сплавления, а также при гидротермальном синтезе (в процессе автоклавирования под давлением в перегретых водных растворах) из природных оксидов кремния SiO2, алюминия Al2О3, и соответствующих металлов. Таким образом получается большая часть природных алюмосиликатов, а также не имеющих аналогов в природе.

Одним из искусственно получаемых алюмосиликатов цеолитного типа является пермутит, получаемый при сплавлении соды, кварца и каолинита, используемый для снятия жесткости воды.

Алюмосиликаты обширно применяются в качестве компонентов шихты в производстве цементов керамики и стекла. Непосредственно слюды как электро- и теплоизоляционный материал. Искусственные пермутиты и гидратированные природные цеолиты применяются в качестве ионообменников, адсорбентов, футеровочного материала устройств, используемых в стекольной, фарфоровой и металлургической промышленности, при очистке, осушке и разделении газов.

Нефелин используется в качестве сырья в производстве алюминия. Каолиниты применяются в виде сырья для фарфоровой промышленности. Алюмосиликаты в виде вспомогательного компонента применяются в процессе производства упаковок, пакетов и бумажных изделий.

Впищевой промышленности алюмосиликаты применяются как пищевые добавки Е554, Е555, Е556, Е559. Их добавляют в смеси, сухие продукты, порошки (сливки, молоко, сахарные песок и пудру, пищевую соль, приправы, пряности, сыры и сырные

полуфабрикаты). Также могут входить в состав БАДов, сахарных таблеток,

43

консервированных продуктов, кондитерских изделий, использоваться в производстве вина, масла, патоки, фруктовых соков и крахмала.

В медицинской и косметической промышленности алюмосиликаты добавляются в лекарственные крема, препараты, гели, мази и глину. Также используются как витаминные добавки в корма для животных и птиц.

44

ГЛАВА 5. СИЛИКАТНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА

5.1. ПРОИЗВОДСТВО КЕРАМИКИ И ОГНЕУПОРОВ

Керамические изделия – это продукция, получаемая из минерального сырья в процессе его формования и обжига под воздействием высоких температур.

Согласно П.П. Будникову, термин «керамика» произошел от слова «керамейя», которым называлось искусство изготовления изделий из глины еще в Древней Греции. В современной керамической технологии в настоящее время применяются в основном глины, однако одновременно с ними используются другие виды минерального сырья (например, чистые оксиды, из которых получается оксидная техническая керамика). Материалы из керамики считаются самыми древними среди каменных материалов, получаемых искусственным путем. При раскопках находят черепки глиняных изделий, сделанных еще в каменном веке. А керамический кирпич начали изготавливать более 5000 лет назад.

Обширное использование керамических материалов и изделий в строительстве обусловлено их относительной долговечностью, значительной прочностью и декоративностью большинства видов керамики, а также распространением сырьевых материалов в земной коре.

Керамические изделия при современном строительстве применяются практически во всех конструктивных частях зданий, а в сборном домостроении используются облицовочные материалы. Керамика имеет большие эстетические возможности, что дает ей преимущество при отделке внутренних помещений и фасадов зданий.

Основой легких бетонов являются керамические пористые заполнители. Обширно применяется в быту посуда из фарфора и фаянса и санитарно-технические изделия. Для металлургической и химической промышленности (огнеупорные и кислотоупорные изделия), в радиоэлектронике и электротехнике, а также космической технике необходима специальная керамика.

В зависимости от структуры керамические строительные материалы подразделяются на пористые и плотные. Пористые материалы способны поглотить более 5 % воды (по массе), а средние показатели их водопоглощения составляют по массе

– 8–20 % либо по объему – 14–36 %. Пористая структура характерна для кровельных, стеновых и облицовочных материалов, стенок дренажных труб и т.п. Плотные материалы способны поглотить лишь 1–4 % по массе либо 2–8 % по объему воды, то есть менее 5 %. Из таких материалов изготавливается дорожный кирпич, плитка для пола, стенки канализационных труб и т.п.

Керамические изделия и материалы по своему назначению делятся на:

-стеновые изделия (кирпич, пустотелые камни и сборные панели из них);

-кровельные изделия (черепица);

-элементы перекрытий;

-изделия, используемые для облицовки фасадов (наборные панно, малогабаритные

ииные плитки, лицевой кирпич, архитектурно-художественные детали);

-изделия, применяемые для внутренней облицовки стен (глазурованные плитки и фасонные детали к ним – уголки, карнизы, пояски);

45

-заполнители для легких бетонов (аглопорит, керамзит);

-теплоизоляционные изделия (ячеистая керамика);

-санитарно-технические изделия (ванны, умывальные столы, унитазы);

-плитка для пола;

-дорожный кирпич;

-кислотоупорные изделия;

-огнеупоры;

-изделия для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы). Описанная выше классификация свидетельствует об обширном распространении в

строительстве керамических изделий и материалов.

Вкачестве сырьевых материалов, используемых при производстве керамических изделий, выступают применяемые в чистом виде глины и каолины, однако гораздо чаще в виде смесей с добавками – порообразующими, плавнями, отощающими и пластификаторами.

Под глинами и каолинами подразумеваются природные водные алюмосиликаты, содержащие различные примеси, способные формировать пластичное тесто при замешивании с водой, необратимо переходящее в камнеподобное состояние после обжига.

Всоставе каолинов находится главным образом минерал каолинит Al2O3•2SiO2 •2H2O, содержится существенный процент частиц менее 0,01 мм. А после обжига у них сохраняется белый цвет.

Минеральный состав глин более многообразен, в них содержится больше органических и минеральных примесей. Глинистая масса в основном состоит из каолинита и аналогичных минералов (галлуазита Al2O3•2SiO2 •4H2O и монтмориллонита Al2O3•4SiO2•nH2O), содержит частицы размерами менее 0,005мм.

Именно содержанием подобных частиц определяются пластичность, спекаемость, огнеупорность, цвет глиняного черепка, связующая способность, воздушная и огневая усадки. Например, у высокопластичных глин содержание частиц размером меньше 0,005 мм достигает 80–90 %.

Пластичность глин – это способность глиняной массы принимать необходимую форму без трещин под внешним воздействием и сохранять ее. Степень пластичности обуславливает минералогический состав глин, форма и размеры частиц и т.п. В природных глинах имеются разнообразные примеси, такие, как кальцит, слюды, кварц и железосодержащие соединения. Наличие примеси влияет на пластичность глин, снижая ее. То есть чем выше процент примесей, тем ниже пластичность, и наоборот.

Спекаемость глин – это свойство глиняного теста под воздействием высоких температур преобразовываться в камнеподобный черепок, имеющий водопоглощение не более 5 %. Температурой спекания называется температура обжига, при которой обожженное изделие не способно к водопоглощению больше, чем 5 %. А температурный интервал спекания составляет разность температур с начала спекания и до начала деформации. Обжиг керамических стеновых материалов осуществляется при температуре ниже полного спекания (900–1100 °С).

Огнеупорность – способность глины выдерживать воздействие высокой температуры без деформации.

46

Цвет глиняного черепка – свойство глиняных масс приобретать какой-либо цвет после обжига, зависящий от количества и состава примесей в исходном сырье. Каолины, как самое чистое сырье, дают белый черепок. Оксиды железа, содержащиеся в глине, окрашивают готовые изделия в разнообразные цвета, начиная от светло-желтого, заканчивая темно-красным и бурым. При введении в глину минеральных красителей получают керамические изделия всевозможных цветов.

Связующая способность — способность глиняного теста сохранять пластичность при смешении с непластичными материалами, выражающееся в том, что глина способна связывать частицы непластичных материалов (шамота, песка), образуя довольно прочное изделие при высыхании.

Воздушная усадка глин – изменение линейных размеров и объема в процессе сушки свежесформованного образца из глиняного теста, выражающееся в процентах от изначального размера образца-сырца. Чем выше пластичность глины, тем больше воздушная усадка.

Огневая усадка глин – изменение линейных размеров и объема при обжиге высушенного глиняного образца.

Значение полной усадки характеризуется как арифметическая сумма воздушной и огневой усадок, составляющей, в основном, 5–10 %. Наибольшая усадка свойственна высокопластичным глинам. Однако большая усадка является отрицательным свойством, поскольку неравномерное изменение линейных размеров и объема деформирует изделие, образуя трещины и искривления.

Глины могут содержать примеси (гидроксид железа (III), полевой шпат, оксид железа (III), карбонат кальция), влияющие на температуру плавления, снижая ее. Соединения железа оказывают влияние на окраску глин, придавая ей красную окраску. Разнообразие окраски глин обусловлено наличием минеральных и органических примесей, содержащих углерод. Включения карбоната кальция являются причиной образования трещин и «дутиков» в керамических изделиях, поскольку при обжиге он разлагается до оксида кальция, увеличивающийся в объеме.

Первый этап состоит в получении сырьевой смеси из глин и каолинов. Сырьевая смесь из глины изготавливается полусухим, пластическим и мокрым способами.

Полусухой способ характеризуется тем, что сырьевые материалы высушиваются, дробятся, размалывают и перемешиваются. Получившийся порошок увлажняется паром либо водой для приобретения нужной влажности. Подобный способ используется при производстве плиток для пола, облицовочных плиток и кирпича полусухого прессования.

При пластическом способе сырьевые материалы при наличии влаги смешиваются или в них добавляется вода до получения глиняной массы. Влажность при этом должна быть 18–23 %. Данный способ применяется в производстве керамических труб, камней, кирпича и т.п.

При использовании мокрого (шликерного) способа исходная смесь измельчается и смешивается с большим количеством воды для получения шликера (однородной суспензии). Такой способ нашел широкое применение в производстве фаянсовых и фарфоровых изделий, облицовочных плиток и т.п.

47

Второй этап состоит в формировании глиняного теста. Здесь масса дополнительно перемешивается, уплотняется и выдавливается в виде брусков различных форм и размеров. Полученные образцы высушиваются искусственным либо естественным путем, при этом за счет сушки увеличивается прочность сырца, предупреждается его растрескивание и деформирование в последующем процессе обжига. Сушка длится 1–3 суток.

Третий и последний этап технологического производства керамических изделий заключается в обжиге материала, включающий в себя три стадии – прогрев сырца, обжиг и охлаждение.

Стадия прогрева состоит в том, что подготовленную массу медленно нагревают до температуры 100–120 ºС, что удаляет свободную воду, при дальнейшем повышении температуры до 750 ºС удаляется химически связанная вода и выгорают органические примеси.

Стадия обжига проводится при температуре 800–900 ºС, при которой происходит расплавление легкоплавких частиц и обволакивание ими не расплавившихся частиц, глиняная масса уплотняется и спекается при последующем повышении температуры. Предельная температура обжига зависит от свойств глины и вида обжигаемого изделия.

После того, как изделие было подвергнуто обжигу, оно приобретает водостойкость, прочность, морозостойкость и ряд иных свойств.

Можно уравнением схематически описать химическую реакцию, проходящую при обжиге глины, в результате чего образуется муллит (название соединения):

3(Al2O3 ∙ 2SiO2 ∙ 2H2O) → 3Al2O3 ∙ 2SiO2 + 4SiO2 + 6H2O

Некоторые виды керамических изделий покрываются тонким слоем стекловидного материала (глазурь). На изделие при этом наносится слой порошка, в составе которого находятся полевой шпат, кварц и некоторые добавки, после чего повторно обжигают. Происходит сплавление глазури и керамика становится еще более водонепроницаемой, блестит, сохраняется от загрязнений, воздействий щелочей и кислот.

Наиболее экономично проводить обжиг керамических изделий в туннельных печах. Подобные печи представляют длинный узкий канал (50–150 м), содержащий в средней части нагревательное устройство, через всю длину которого протянут рельсовый путь и по нему медленно продвигается состав из вагонеток, нагруженных обжигательными изделиями. Навстречу вагонеткам движется воздух, необходимый для сгорания топлива, который охлаждает уже обожженные изделия и нагревая не попавшие в зону обжига. Таким образом получается максимально полное использование тепла.

Огнеупорам свойственна способность долгое время выдерживать химическое и механическое воздействие при температуре выше 1500 ºС во время их эксплуатации. Огнеупорные материалы делятся на три категории по степени огнеупорности: огнеупорные (1500–1770 ºС), высокоогнеупорные (1770–2000 ºС), высшей огнеупорности (свыше 2000 ºС). Изготавливаются в форме блоков, кирпичей и плит посредством прессования, сушки и обжига.

В технике и строительстве более всего распространены алюмосиликатные и динасовые (кремнезистые) огнеупорные материалы.

48

Алюмосиликатные огнеупоры имеют в своем составе огнеупорные глины (с небольшим числом примесей и высокой пластичностью), каолинит и разнообразные кварцевые добавки. Используются при изготовлении фарфоровых, фаянсовых и огнеупорных изделий.

Динасовые огнеупоры содержат в составе глину и кварцевый песок. Обширно применяются для кладки разнообразных промышленных печей (коксовых, мартеновских, стекловаренных и т.п.), подвергающихся значительным нагрузкам и воздействию высоких температур.

5.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

Строительные минеральные вяжущие вещества представляют собой порошкообразные материалы, образующие массу, постепенно затвердевающую и переходящую в камневидное состояние после смешивания с водой, например, известь, гипс и портландцемент. Вяжущий материал при твердении крепко связывает отдельные частицы заполнителя между собой. Как вяжущий компонент используются глина, цемент, известь, гипс либо их смеси, а как заполнитель – песок.

Процедура взаимодействия вяжущего вещества и воды называется гидратация, а реакцию можно записать схематически:

Исходная форма вяжущего + вода → новообразование 1 + новообразование 2.

Так, например, процесс гидратации строительного гипса выглядит следующим образом:

CaSO4 ∙ 0,5H2O + 1,5H2O → CaSO4 ∙ 2H2O

Большая часть минеральных вяжущих веществ вступает во взаимодействия лишь в исключительных случаях. Так, гашеная воздушная известь затвердевает при взаимодействии с углекислым газом воздуха.

Взависимости от свойств вяжущего вещества, применяемого вяжущего, плотности

иназначения, а также соотношения между количеством вяжущего материала и заполнителя существует классификация строительных растворов.

По виду используемого вяжущего вещества строительные растворы делятся на простые (с одним вяжущим – гипсом, известью, цементом) и сложные (смешанными вяжущими – известково-гипсовыми, известково-зольными, цементно-известковыми).

Состав простых растворов обозначается двумя числами, из которых первое обозначает, что содержание вяжущего материала в растворе составляет одну массовую либо объемную часть, а второе – сколько на одну часть вяжущего материала приходится массовых либо объемных частей заполнителя (например, известковый раствор 1:3 обозначает, что в растворе 1 часть извести и 3 части заполнителя).

Состав сложных растворов описывается тремя числами. Первое число – объемная часть основного вяжущего, второе – необходимое количество дополнительного вяжущего на одну часть. Третье – объемные части заполнителя (например, известково-цементный раствор 1:1:9 означает, что в растворе 1 часть извести, 1 часть цемента и 9 частей заполнителя).

49

Взависимости от свойств вяжущего вещества растворы делятся на воздушные (твердеют в воздушно-сухих условиях, например, гипсовые) и гидравлические (начинают твердеть на воздухе, продолжают твердеть во влажных условиях либо в воде, например, цементные и известковые).

Взависимости от соотношения количеств вяжущего материала и заполнителя растворы подразделяются на жирные (избыток вяжущего материала), нормальные, тощие (небольшое количество вяжущего) и растворные смеси.

По плотности строительные растворы делятся на тяжелые, имеющие в сухом состоянии среднюю плотность 1500 кг/м3 и более, изготавливаемые на обычном песке, и легкие, средняя плотность которых в сухом состоянии до 1500 кг/м3, основой которых является легкий пористый песок из туфа, керамзита, пемзы и т.п.

Строительные растворы по своему функционалу подразделяют на:

- кладочные (используются для монтажа стен из крупноразмерных элементов и каменной огнеупорной и обычной кладки);

- отделочные (применяемые при нанесении декоративных слоев на стеновые блоки

ипанели и оштукатуривании помещений);

- специальные, имеющие особые свойства (акустические, гидроизоляционные и рентгенозащитные).

Известковые воздушные вяжущие вещества Воздушная строительная известь представляет собой вяжущее вещество,

получаемое при равномерном и умеренном обжиге горных пород (мела, известняков), имеющих в своем составе некоторый процент карбоната кальция. Воздушная известь (негашеная известь) получается при температуре обжига 900–1200 ºС, представляет собой огнестойкое соединение белого цвета. Среди воздушной извести выделяется несколько видов – известь негашеная молотая, известь негашеная комовая, известковое тесто и пушонка (известь гашеная), основным компонентом которой является оксид кальция с сопутствующим оксидом магния, замедляющим скорость гашения.

По скорости гашения известь делится на быстрогасящуюся (скорость гашения 8 минут), среднегасящуюся (8–25 минут) и медленногасящуюся (более 25 минут). За скорость гашения принимается время, длящееся от момента добавления к извести воды и до начала снижения максимальной температуры.

Все виды извести широко используются как вяжущие и водоудерживающие компоненты строительных растворов, применяемых при кладке и штукатурке, кроме того, при производстве строительных материалов, в качестве составной части.

Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества представляют собой соединения,

изготавливаемые из минерального сырья, имеющего в составе сульфат кальция, посредством обжига и последующего помола. В качестве сырья используются ангидрит (CaSO4), гипсовый камень (CaSO4 ∙ 2H2О) и фосфогипс.

Гипсовые вяжущие в зависимости от температуры тепловой обработки делятся на низкообжиговые и высокообжиговые, получаемые при термической обработке гипсового камня под воздействием температуры 110–180 ºС. Для гипсовых вяжущих веществ характерны невысокая водостойкость и прочность, экологическая чистота, хорошие

50