Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Силикатные материалы строительного назначения из нерудного сырья. Монография
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
А. В. Корнилов, Т. З. Лыгина, А. И. Хацринов
СИЛИКАТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ИЗ НЕРУДНОГО СЫРЬЯ
Монография
Казань
Издательство КНИТУ
2016
УДК 72+69
ББК 35.41
Корнилов А. В.
Силикатные материалы строительного назначения из нерудного
сырья : монография / А. В. Корнилов, Т. З. Лыгина, А. И. Хацринов;
М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань :
Изд-во КНИТУ, 2016. – 128 с.
ISBN 978-5-7882-1825-0
Представлены результаты исследований по получению
силикатных материалов строительного назначения из нерудного сырья с
различным соотношением глинистых минералов. Приведены свойства
общераспространенных и нетрадиционных видов сырья, рассмотрены
эффективные способы его переработки, перспективные технологии
получения готовой продукции (стеновых, облицовочных, кровельных,
теплоизоляционных и композиционных материалов), а также физикохимические процессы, протекающие при механическом и термическом
воздействии на сырье и материалы.
Предназначена для специалистов учебных, научных и
производственных организаций, занимающихся изучением минерального
нерудного сырья, разработкой и производством строительных материалов
и изделий. Может быть полезна студентам и аспирантам, обучающимся
по программам, связанным с химической технологией тугоплавких
неметаллических и силикатных материалов, а также преподавателям
высших и средних учебных заведений.
Подготовлена на кафедре технологии неорганических веществ и
материалов КНИТУ совместно с ФГУП «ЦНИИгеолнеруд».
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. КГАСУ Р. Т. Ахметова
начальник технол. центра ФКП «ГосНИИХП»,
канд. техн. наук А. С. Арутюнян
ISBN 978-5-7882-1825-0 © Корнилов А. В., Лыгина Т. З.,
Хацринов А. И., 2016
© Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2016
2
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях необходимо увеличивать объемы
производства силикатных материалов строительного назначения:
легких стеновых материалов, легких и ячеистых бетонов, особо легких
заполнителей, эффективных теплоизоляционных и отделочных
материалов и так далее. Основными компонентами для их
производства являются неметаллические полезные ископаемые
(нерудное сырье).
Быстрые темпы развития строительной промышленности,
достигнутые в последнее время, требуют резкого расширения
ассортимента и улучшения потребительских свойств силикатных
материалов. В связи с этим возникает настоятельная необходимость
разработки научно обоснованных подходов к оценке качества
нерудного сырья и создания новых технологий его переработки,
позволяющих получать продукцию с высокими техникоэкономическими показателями.
Нерудное сырье относится к числу наиболее распространенных
и обладает исключительным разнообразием вещественного состава и
столь же широким спектром физических и физико-химических
свойств. В то же время с каждым годом снижаются запасы
высококачественного сырья и встает задача переоценки существующей минерально-сырьевой базы как с позиции вовлечения в
производство нетрадиционных видов сырья, так и с позиции
использования новых технологий, позволяющих направленно
изменять свойства полезного ископаемого и, таким образом,
переводить сырье из разряда низкокачественного в кондиционное.
Анализ тенденций развития рынка нерудного сырья показывает, что во всех его сегментах – от прогноза, поисков, добычи,
оценки качества, переработки и обогащения до получения конечной
продукции, контроля за ее качеством и реализацией – идет
интенсивный поиск новых методов изучения состава, свойств и
технологий его переработки.
Для производства продукции необходимо использовать местное нерудное сырье, так как при этом значительно сокращаются
транспортные расходы, появляется возможность применения побочных продуктов других отраслей (снижается экологическая напряженность в районе), решается социальный вопрос (обеспечивается
трудозанятость населения).
3
Повышение эффективности производства силикатных материалов, применение низкокачественного и новых видов нерудного сырья
обеспечивается высоким уровнем технологической оценки, состоящей
в научном прогнозировании технологических свойств сырья на основе
выявления минералогических особенностей и направленном изменении свойств сырья.
Как правило, нерудное сырье используется в основном после
обогащения и переработки. При его анализе необходимо учитывать
малейшие особенности не только состава исходных компонентов и
примесей, а также их структурно-кристаллохимические особенности,
которые существенным образом влияют на качество продуктов, то
есть появляются возможности внешнего воздействия на физикохимические свойства минералов и сырья.
Аналитико-технологические исследования должны обеспечивать объективную оценку качества сырья и выявлять его новые
потребительские свойства для создания новых материалов и изделий.
Выявление новых свойств минерала или породы является очень
важным, так как в ряде случаев это равноценно открытию нового
месторождения. Для решения данных задач требуется применение
всего комплекса аналитических, минералогических и технологических
методов исследований.
Наиболее актуально расширение отечественной сырьевой базы
за счет более рационального использования сырья, его переоценки с
позиции выявления новых направлений использования. В связи с этим
встают задачи разработки новых технологий и вовлечения в
производство нетрадиционных видов нерудного сырья, в том числе
техногенных отходов. Этим проблемам и посвящена данная монография.
4
1. ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА НЕРУДНОГО СЫРЬЯ
Нерудное сырье с различным соотношением (под этим словом
понимается не только процентное различие, но и видовое – минеральное) глинистых минералов, которые относятся к числу основных
минералов слоистых силикатов, широко применяется во многих отраслях промышленности. Незаменимо оно и в производстве силикатных
материалов для строительной индустрии: керамического и силикатного кирпича, облицовочной плитки, керамзита, термолита, керамической черепицы, теплоизоляционных и композиционных материалов.
К глинистым минералам относятся группы: каолинита–серпен-
тина, включающая минералы ряда каолинита (наиболее распространены каолинит и галлуазит) и серпентина (хризотил, лизардит,
антигорит); смектитов (наиболее важным является монтмориллонит);
вермикулита (минералы диоктаэдрический и триоктаэдрический
вермикулит); тонкодисперсных слюд (обычно называемых иллитами),
основными представителями которых являются мусковит, биотит,
флогопит; хлоритов (основные минералы – судоит, прохлорит, пенин);
пирофиллита–талька (основные представители – пирофиллит и тальк).
Многие глины сложены переслаивающимися упорядоченными
и разупорядоченными минералами (смешанослойные образования) /1/.
Например, в полиминеральных глинах присутствуют смешанослойный
минерал, монтмориллонит, гидрослюда, хлорит; в бентонитовых
глинах – монтмориллонит, гидрослюда, каолинит, хлорит; в
известковистых глинах – слюда и каолинит; в цеолитсодержащих
глинах, цеолитсодержащих кремнистых породах, сапропелях –
монтмориллонит; в тугоплавких глинах – минералы группы
каолинита; в каолинах – каолинит, монтмориллонит и галлуазит; в
диатомитах – монтмориллонит и другие глинистые минералы; в
вермикулитовых породах – вермикулит и слюда; в серпентинитах –
хризотил, хризотил-асбест, лизардит.
Полиминеральные глины издавна привлекали внимание как
сырье для изготовления керамических стеновых, кровельных, облицовочных материалов, гончарных и других изделий. Промышленная
значимость этого вида сырья и, как следствие, качество продукции на
его основе, определяются особенностями минерального и гранулометрического состава сырья, его пластичностью, чувствительностью к
5
сушке, содержанием крупнозернистых, прежде всего карбонатных
включений, их активностью и другими свойствами.
Продуктивные горизонты основных разрабатываемых место-
рождений Республики Татарстан сложены преимущественно суглинками, иногда – глинами, реже – супесями. В них достаточно высокое
содержание глинистой составляющей (до 50-80 %).
Основным породообразующим глинистым минералом является
смешанослойный минерал (слюда-монтмориллонит) с соотношением
слюдистых и разбухающих слоев, близким к 1:1. Количество его в глинистой фракции достигает 60-80 %. В качестве примеси присутствуют слюда (до 15-20 %), хлорит (до 5-15 %), реже – каолинит (до 10 %).
Из неглинистых минералов постоянно присутствует кварц,
слагающий в основном алевритовые и песчаные фракции, в количестве 25-50 %, составляя в среднем 30-40 %. В небольших количествах отмечаются полевые шпаты. По соотношению этих основных
породообразующих минералов глины различных месторождений
довольно однообразны. При этом повышенное содержание кварца
отмечается в более грубозернистых породах – суглинках и супесях.
Наряду с перечисленными минералами почти всегда присут-
ствует кальцит либо в виде тонкозернистых агрегатов основной массы,
либо в виде крупнозернистых стяжений и желваков. Количество его в
глинах различных месторождений составляет от 3-5 до 15-20 %.
В табл. 1.1 приведен минеральный состав отдельных
месторож-дений полиминеральных глин Республики Татарстан.
Свойства глин определяются не только их минеральным сос-
тавом, но и степенью кристалличности глинообразующих минералов.
В большей степени нарушения кристалличности характерны для монтмориллонитов, в меньшей – для минералов каолинитовой группы.
Вариации зернового состава очень велики: содержание частиц
размером менее 0,005 мм колеблется от 10 до 90 %, 0,05-0,005 мм – от
10 до 80 %, свыше 0,05 мм – от 0 до 75 %.
Количество крупнозернистых включений укладывается обычно
в интервал 0-3 %, достигая в отдельных пробах и 10 %. Из карбонатных включений преобладают среднеактивные. Использование глин
с повышенным содержанием крупнозернистых карбонатных включений для производства стеновых материалов возможно лишь при соответствующей подготовке керамических масс, включая дробление на
бегунах мокрого и вальцах тонкого помола с зазором 1-2 мм. Кроме
того, для нейтрализации отрицательного влияния карбонатов могут
6
Таблица 1.1
№
п/п
Место-
рожде-
ние
Содержание минералов, %
Смешанослой-
ный
Гид-
ро-
слюда
Хло-
рит
Кварц
Поле-
вой
шпат
Кальцит
До-
ло-
мит
1
Саха-
ровское
17±2
4±1
3±1
63±3
6±1
4±1
3±1
2
Шеланговское
50±3
2±1
9±1
25±2
6±1 - -
3
Нижне-
Суксин-
ское
45±3
5±1
4±1
33±2
13±1 - -
4
Южно-
Чисто-
польское
45±3
4±1
3±1
36±2
12±1 - -
5
СарайЧекур-
чинское
49±3
6±1
3±1
31±2
11±1 - -
Минеральный состав полиминеральных глин
(средние значения для месторождений)
быть использованы легкоплавкие добавки (хлорид натрия, жидкое
стекло).
Глинистое сырье относится в основном к умеренно- и сред-
непластичной группам; встречаются иногда мало- и высокопластичные разности (число пластичности изменяется по разным
месторождениям от 6 до 35).
Показатель чувствительности к сушке по методу Чижского в
основном варьирует от 56 до 100 с (то есть сырье является высокочувствительным), воздушная усадка в пределах 3,0-11,6 %, общая –
0,2-30,1 %.
Содержание основных соединений в глинистых породах колеб-
лется в следующих пределах (%): SiО
– 50-80; Аl
2
2О3
+ТiО
2
– 3-20; СаО
– 0-10; МgО – 0-10; сумма соединений серы в пересчете на SО3 – 0,0110; FеО + Fе2О
– 2-7. Следует отметить повышенное содержание в
3
сырье соединений серы (как сульфатных, так и сульфидных), а также
пониженное содержание красящих оксидов и иногда – глинозема.
Глинистые породы не содержат каких-либо вредных веществ в
опасных для здоровья человека количествах и характеризуются радиоактивностью, соответствующей ее естественному фону. Разброс же
7
удельной активности радионуклидов достаточно широк (Бк/кг): Тh
6-35, Rа
(А
226
– 9-28 и К40 – 148-579. Эффективная удельная активность
) меняется в диапазоне 30-123 Бк/кг.
эфф
232
–
В целом качество полиминеральных глин Татарстана в основ-
ном низкое. Они являются высокочувствительными к сушке, содержат
повышенное количество серы и крупнозернистые карбонатные включения. На действующих кирпичных заводах Республики Татарстан,
оснащенных отечественным оборудованием, из местного сырья в
основном производится низкомарочная продукция. Для получения из
такого глинистого сырья конкурентоспособных силикатных материалов строительного назначения необходимо применять современные
эффективные технологии его переработки и обогащения.
Для производства керамзитового гравия применяют бентони-
товые тонкодисперсные глины, состоящие на 60 % из минералов
группы монтмориллонита (монтмориллонит, бейделлит, нонтронит,
сапонит, гекторит и др.), благодаря чему обладают высокой связующей, ионообменной и адсорбционной способностью, а их водные суспензии – тиксотропией. В качестве примесей в них встречаются гидрослюды, каолинит, палыгорскит, цеолиты и др. В промышленности
строительных материалов они используются в производстве керамзитового гравия, лицевого кирпича, облицовочных плиток, черепицы и
т.д. Лучшими по качеству являются щелочные бентониты (породообразующий минерал Nа- или Nа-Са-монтмориллонит) и мономинеральные разности щелочно-земельных бентонитов (Са- или Са-Мgмонтмориллонит). Химический, минеральный и гранулометрический
составы глинистых пород в решающей степени влияют на их
вспучивание и образование ячеистой структуры керамзита.
Бентонитовые глины нашей республики имеют специфический
вещественный состав. Содержание монтмориллонита в них обычно 4050 % (Биклянское и Апастовское месторождения), но иногда превышает 60 % (Тарн-Варское). Как правило, монтмориллонит – «низкотемпературный»; потеря кристаллизационной воды происходит при
температуре 550-5600С; в качестве главной примеси присутствуют
гидрослюды (10-30 %). В бентонитах восточной части РТ заметную
роль играют каолинит (редко до 20 %) и хлорит (Биклянское месторождение); постоянно присутствуют кварц, кальцит, в незначительном количестве встречаются пирит, гипс, вивианит, аллофан,
цеолиты, полевые шпаты. Все бентониты Республики Татарстан –
щелочно-земельные: их обменный комплекс состоит в основном из
8
катионов кальция и магния. Соотношение катионов в обменном комплексе: Са
держание обменных катионов в 100 г сухой глины (мг·экв) варьирует
в следующих пределах: Са
+
К
– 0,2-2,6; сумма – 32,4-52,2. По гранулометрическому составу они
++
> Мg++ >> Nа+ + К
+
, реже: Мg
++
– 17,8-29,5; Мg
++
> Са++ >> Nа+ + К+. Со-
++ –
8,0-21,3; Nа+ – 0,2-2,6;
относятся к тонкодисперсным, содержание фракции менее 1 мкм
составляет примерно 50 %, песчаной фракции – единицы процентов.
Химический состав бентонитов характеризуется содержанием
(%): SiО
железа – 5,5-8,5; СаО + МgО – 2,5-4; Na
– 55-60 (редко больше); Аl
2
– 18-20 (до 22); оксидов
2О3
О + К
2
О – 3-3,5; соединений
2
серы – от сотых долей до 0,5 (редко больше).
По физико-механическим свойствам бентониты являются высоко- и среднепластичными (число пластичности 22-27), легкоплавкими (реже – тугоплавкими) глинами. Они обладают сравнительно высокой удельной поверхностью и пористостью, вспучиваемостью при
обжиге.
Радиоактивных и токсичных элементов в превышающих кларковые значения количествах бентониты не содержат. Однако разброс
удельной активности радионуклидов достаточно широк (Бк/кг): Тh
19-48, Rа
226
– 19-22 и К40 – 530-733. А
изменяется в пределах 86-
эфф.
232
–
136 Бк/кг.
При получении керамических и безобжиговых материалов с
высокими теплоизоляционными характеристиками применяется
диатомит. Это рыхлая сцементированная кремнистая (опаловая)
порода белого или светло-серого цвета, часто с желтоватым оттенком,
состоящая более чем на 50 % из панцырей диатомей; другим
компонентом породы является глобулярный опал. В качестве
примесей присутствуют: обломочный материал (обычно кварц),
глауконит, монтмориллонит, другие глинистые минералы, иногда
фосфориты и вулканический пепел. Диатомиты содержат 70-80 %
растворимого в щелочах кремнезема, обладают высокой пористостью
(до 75 %) и малой средней плотностью (0,42-1,25 г/см3 в сухом
состоянии), которая увеличивается с повышением количества целых
панцирей диатомей. Прочность диатомита в куске составляет не более
25-30 кг/см2, истинная плотность – 2,03-2,20 г/см3.
Основными показателями для суждения о качестве рассматриваемых пород являются соотношение основных минеральных фаз и
особенности их микроструктуры. В диатомитах активный (опал-кристобалитовый) кремнезем содержится обычно в количестве от 40 до
9
80 %, глинистый материал – от 10 до 40 %, песчано-алевритовый – до
10 %.
Минеральный состав основных компонентов неоднороден.
Кремнезем представлен рентгеноаморфным опалом. В составе глинистого компонента имеются следующие минеральные ассоциации:
монтмориллонитовая и монтмориллонит-бейделлитовая, монтмориллонит-гидрослюдистая и каолинит-гидрослюдистая. Наблюдаются
смешанослойные минералы. В составе песчано-алевритового материала с кварцем нередко наблюдается глауконит. Особенности минерального состава рассматриваемых пород находят отражение в их химическом составе. Содержание основных соединений колеблется в
следующих пределах (%): SiO
– 70-85; Al2O3 – 5-13; Fe2O3 – 2-5; СаО –
2
0,5-5; MgO – 0,5-5. Для улучшения свойств керамической массы для
изготовления облицовочных изделий используется каолин. Каолины –
светлоокрашенные глинистые породы, состоящие преимущественно
из каолинита (содержание Al2О
– 39,5 %; SiО2 – 46,5 %; Н2О – 14 %) и
3
кварца. В качестве примесей они обычно содержат и другие глинистые
минералы – диккит, накрит, галлуазит, монтмориллонит, смешанослойные минералы, разложившиеся зерна полевых шпатов и других
минералов.
Каолины характеризуются инертностью по отношению к
кислым и щелочным растворам, высокой огнеупорностью и механической прочностью в сухом состоянии, белым цветом обожженного
материала и способностью образовывать с водой пластичную массу
(пластичные разновидности). Эти свойства определяют применение
каолина в качестве сырья для производства тонкой, хозяйственной,
санитарной, электро- и радиокерамики, огнеупорных изделий и др.
Вредными примесями в каолине являются оксиды железа, титана и
кальция. Они придают нежелательную окраску, понижают просвечиваемость и кислотоупорность изделий.
Большинство отраслей промышленности (бумажная, химическая, производство тонкой керамики) потребляют обогащенный каолин.
Необогащенный каолин (каолин-сырец) используется для производства огнеупорных изделий и строительной керамики.
Для улучшения спекаемости керамических масс применяются
тугоплавкие глины. Тугоплавкими являются глины с огнеупорностью
от 1350 до 1510
0
С. Высокое значение показателя огнеупорности обус-
ловлено присутствием глинистых минералов группы каолинита. Примесь минералов группы монтмориллонита повышает пластичность и
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]