ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ МЕТОДАМИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗАИЗА
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В статье приведены результаты исследования свойств глинистого сырья с использованием современных методов физико-химического анализа: РФА, РСА, РЭМ и термический анализ. Рассмотрены два вида глинистого сырья по цвету керамического черепка: светложгущиеся и красножгущиеся глины. Исследуемое глинистое сырье содержит незначительное количество глинистых и высокое содержание пылеватых частиц, относится к умереннопластичным и среднепластичным глинам и суглинкам. Рентгеноспектральный анализ позволил определить химический количественный состав основных оксидов глинистого сырья. При термическом анализе природного глинистого сырья, имеющего полиминеральный состав, наблюдаются экзо- и эндотермические эффекты, характерные для исследуемых минералов – монтмориллонита и каолинита. По минеральному составу глинистое сырье Центральной Якутии является полиминеральной, основным глинистым минералом являются монтмориллонит и каолинит, в качестве примесей установлены кварц, кальцит, хлорит, минералы из группы слюд и полевых шпатов, смешаннослойные минералы. Низкое качество глинистого сырья предполагает, в дальнейшем, проведение дополнительных исследований для улучшения технологических и физико-механических керамических изделий из местного глинистого сырья. В проектировании составов исходных смесей (шихт) могут быть использованы местное природное и техногенное минеральное сырье.

Ключевые слова:
глинистое сырье, физико-химический анализ, физико-механические, химические и технологические свойства
Текст
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать

Введение. На территории Республики Саха (Якутия) еще в советское время геологоразведочными изысканиями были установлены 6 группировок месторождений глинистого сырья по запасам: 1) глины, суглинки легкоплавкие для кирпича; 2) глины, суглинки легкоплавкие для керамзита; 3) глины тугоплавкие для строительных изделий; 4) глины и суглинки для дренажных труб; 5) беложгущиеся глины для строительных целей; 6) глины, аргиллиты для строительных целей [1]. Из них на сегодня эксплуатируется только одно месторождение глин для производства цемента, производства кирпича и керамзита были закрыты с наступлением рыночных отношений.

Как показывает практика, Покровское и Мархинское месторождения, эксплуатируемые двумя кирпичными заводами вблизи г. Якутска, были истощены еще до их закрытия в 1986-1988 гг. Разведанные и подготовленные к эксплуатации Аллахское и Аласское месторождения для их замещения так и остались не использованными. Другие средние и мелкие месторождения, находящиеся в сельской местности, ранее использовались только для сезонного производства кирпича низкой марки, в основном, для кладки отопительных печей.

В связи с истощением крупных месторождений и наличием множества средних и мелких месторождений [2] для обеспечения потребности локального строительства вдали от промышленных центров возникает необходимость в создании малых производств с производительностью до 35 млн. штук условного кирпича в год. Для малых производств экономически целесообразным вариантом может быть использование технологии полусухого прессования [3]. Таким образом, на сегодня актуальным является возобновление производств керамического кирпича на основе местного глинистого сырья, природного газа [4] и отечественного технологического оборудования [5].

Цель работы: изучение физико-механических, химических и технологических свойств глинистого сырья Центральной Якутии.

Материалы и методы. Отбор проб глинистого сырья производился на территориях Ленского бассейна, относящихся к Центральной Якутии. Образцы представительных легкоплавких красножгущихся глин отобраны из двух месторождений: Санниковское и Усть-Алданское. Образцы легкоплавких светложгущихся глин отобраны из неучтенных сводным балансом месторождений: Намцырское и Амгинское. В качестве контрольного образца взята импортная глина, которая используются для гончарного производства.

Основные свойства глинистого сырья определялись стандартными и современными методами в соответствии с требованиями
ГОСТ 21216-2014 «Сырье глинистое. Методы испытаний». Физико-химический анализ и определение физико-механических свойств глинистого сырья проведены на оборудовании Центра коллективного пользования Арктического инновационного центра СВФУ:
прибор синхронного термического анализа фирмы NETZSCHSTA 449C Jupiter (Германия), дифрактометр D2 PHASER фирмы Bruker (Германия) и растровый электронный микроскоп «JEOL JSM-7800F» (Япония), машина испытательная AutographAG-IS модель MS (Япония), пресс гидравлический GT-7014-H10C.

Изготовление образцов пластического формования заключается в следующем. Сырье высушивалось в сушильном шкафу при температуре (105±5) °С в течении 4 часов до постоянной массы, затем добавляется требуемое количество воды отдельно для сырья из каждого месторождения. Из полученной массы формируются не менее шести образцов-балочек размерами 135×30×15 мм и не менее десяти образцов-цилиндров 50×70 мм с помощью специальной формы и уплотнением с пригрузом в 32 кг. Образцы-балочки и образцы-цилиндра сушат на воздухе, а затем в сушильном шкафу при температуре (105±5) °С до постоянной массы. Сухие образцы-балочки и образцы-цилиндры охлаждаются и хранятся в эксикаторе до проведения испытания. Половина образцов обжигается в  лабораторной муфельной печи при температуре
950 °С в течении 6 часов по заданной программе.

Перед началом проведения испытаний образцы измеряются с точностью до 1 мм. Каждый линейный размер образца вычисляется путем нахождения среднего арифметического результатов измерений двух средних линий противоположных поверхностей образца.

 Предел прочности при изгибе определяются на приборе Autograph AGS-JSTD. W/O L CELL. Образец устанавливается на двух опорах пресса. Нагрузка прикладывается в середине пролета и равномерно распределяется по ширине образца. Нагрузка на образец должна возрастать непрерывно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 2060 с после начала испытаний.

Предел прочности при сжатии определяется на приборе GT-7014-H10C. Диаметр цилиндра вычисляется как среднее арифметическое значение результатов четырех измерений: в каждом торце по двум взаимно перпендикулярным направлениям. На боковые поверхности образца наносятся вертикальные осевые линии. Образец устанавливается в центре плиты пресса, совмещая геометрические оси образца и плиты, и прижимается верхней плитой пресса. Нагрузка на образец должна возрастать непрерывно и равномерно со скоростью, обеспечивающей его разрушение через 20–60 с после начала испытания.

Основная часть. Определение гранулометрического состава по методу Рутковского (таблица 1) показало, что у импортного образца содержание частиц равномерно распределённое и классифицируется по содержанию тонкодисперсных фракций как низкодисперсный. Следует отметить, что пробы из Амгинского и Намцырского месторождений, которые согласно классификации ГОСТ 9169-2021 по содержанию глинистых частиц не уступают импортному и входят в группу низкодисперсных. Образцы Усть-Алданского и Санниковского месторождений относятся к группе грубодисперсных.

 

Таблица 1

Технологические свойства глинистого сырья

обр.

Месторождение

Гранулометрический состав, % по объёму

Число

пластичности

Воздушная усадка, %

Огневая усадка, %

50–100 мкм

5–50 мкм

˂5 мкм

1

Импортное

36,12

31,46

34,42

17

2,34

6,16

2

Амгинское

35,20

41,68

23,12

10

3,71

10,92

3

Намцырское

4,36

68,52

27,12

15

5,62

5,18

4

Усть-Алданское

39,30

47,30

13,40

8

5,86

5,67

5

Санниковское

42,50

55,24

2,26

10

6,05

6,39

 

 

По числу пластичности Импортное и Намцырское глинистое сырье относятся к среднепластичному, остальные - к умереннопластичным. По спекаемости все образцы относятся к неспекающемся легкоплавкому глинистому сырью. Керамические черепки образцов 1, 2 и 3 после обжига обретают светлые оттенки от светло-серого до светло-кремового цвета (ввиду малого количества железистых примесей, табл. 2) и в настоящее время, в основном, используются для гончарного производства. Поэтому их условно можно отнести к глинам. Образцы глинистого сырья 4 и 5 относятся к красножгущимся суглинкам низкого качества и требуют тщательной отработки технологии производства керамического кирпича на их основе [6, 7].

Химический анализ глинистого сырья разных месторождений проводили методом рентгеноспектрального анализа (РСА) на рентгеновском спектрометре SRS-3400 Института горного дела СО РАН [8, 9]. Основным преимуществом данного метода является отсутствие сложной химической подготовки исследуемых материалов [10, 11].

 

Таблица 2

Химический состав глинистого сырья, мас. %

Оксиды

Na2O

MgO

Al2O3

SiO2

P2O5

K2O

CaO

Fe2O3

TiO2

Импортное

0,31–0,34

0,48–0,50

34,38–34,39

60,28–60,98

0,06–0,07

0,68–0,82

0,65–0,71

0,93–0,98

1,48–1,50

Амгинское

0,25–0,28

2,28–2,30

16,40–16,43

53,58–53,66

0,21–0,22

5,34–5,48

1,28–1,35

3,28–3,32

1,20–1,22

Намцырское

0,93–0,96

0,56–0,57

22,37–22,38

63,50–63,59

0,03–0,04

2,19–2,51

0,52–0,56

1,68–1,73

0,80–0,82

Санниковское

2,09–2,12

2,13–2,15

14,34–14,71

63,26–63,31

0,12–0,13

2,58–2,66

3,08–3,15

4,27–4,39

0,76–0,78

Усть-Алданское

1,96–1,99

2,73–2,76

15,60–15,97

58,09–58,19

0,11–0,12

2,21–2,48

3,05–3,12

4,18–4,26

0,83–0,85

 

Для изучения минерального состава глинистого сырья широко используется рентгенофазовый анализ (РФА) [12–16]. В данном исследовании РФА проводился в Институте геологии алмаза и благородных металлов СО РАН с использованием дифрактометра D2 PHASER от фирмы Bruker (Германия) с CuKα-излучением, напряжением 30 кВ, током 10 мА и диапазоном 4,5–65° (2θ°). Для идентификации минералов использовалась база данных PDF-2/Release 2011 RDB. Исследовались измельченные образцы в порошкообразном состоянии [17]. На рисунке 1 представлена дифрактограмма глинистого сырья из определенного месторождения, включая список обнаруженных минералов. Однако следует отметить, что формулы минералов стандартов нельзя идентифицировать с формулами действительно присутствующих минералов, так как возможные изоморфные замещения в формуле минерала могут не существенно изменить метрику элементарной ячейки и, следовательно, рентгенограмму. Как показывают результаты РФА, в образцах Намцырского глинистого сырья обнаружены кварц, минералы из группы полевых шпатов, минерал из группы монтмориллонита (смещение пика после насыщения этиленгликолем), минерал из группы слюд, как вероятный – минерал из группы каолинита.

Рис. 1. Дифрактограмма глинистого сырья Намцырского месторождения представителя светложгущихся глин

 

Термический анализ выполнен на приборе синхронного термического анализа фирмы NETZSCHSTA 449C Jupiter (Германия). Этот метод позволяет определить температуры, при которых происходят различные фазовые переходы, и идентифицировать минералы в глинистых породах [18, 19]. Образцы глин в виде порошка (разной навески) нагревались в PtRh тиглях от комнатной температуры до 1000 °С со скоростью нагрева 10 °С/мин в инертной среде – аргон.

Рис. 2. Результаты термического анализа глинистого сырья Намцырского месторождения –  представителя светложгущихся глин

Рис. 3. Результаты термического анализа глинистого сырья Санниковского месторождения –  представителя красножгущихся суглинков

 

 

Рисунки 2 и 3 демонстрируют результаты термического анализа в виде графиков: TГ (интергральная кривая термогравиметрии) отображает изменение массы образца (%) в зависимости от температуры (°С); ДТГ (первая производная от кривой термогравиметрии) отображает скорость изменения массы образца во времени (%/мин); ДСК (тепловые эффекты дифференциальной сканирующей калориметрии) показывает экзотермические и эндотермические эффекты (мВт/мг) в зависимости от температуры (°С).

Из графика ТГ (рис. 2 и 3) видно, что образцы теряют массу поэтапно. Первый эндотермический пик соответствует выделению сорбированной воды, второй пик связан с выделением воды, связанной с гидроксильными группами (аморфизация), третий эндопик обусловлен диссоциацией карбоната, а экзотермический пик характеризует кристаллизацию муллита в каолинитах. Кварц обнаружен во всех образцах при температуре от 573 до 576,4 °С.

Результаты количественных показателей термического анализа глинистого сырья по значениям ТГ-кривых приведены в табл. 3.

 

Таблица 3

Потеря массы образцов при фазовых переходах, %

№ обр.

Масса, мг

24–200 °С

200–600 °С

600–750 °С

750–1000 °С

Общая потеря массы при 1000 °С

1*

39,65

0,35

4,43

1,50

0,13

6,16

2

32,09

2,71

7,47

10,92

3

34,62

0,75

3,83

5,18

4

32,51

0,84

2,59

1,97

5,67

5

36,11

1,04

2,89

2,06

6,39

* номера образцов приведены в соответствии с табл. 1

В интервале температур 24–200 °С потеря массы у всех образцов сильно не отличается, что вызвано удалением адсорбционной воды и сгоранием органических примесей. Максимальная потеря массы образцов происходит в интервале температур 200–600 °С в пределах 2,597,47 % по массе определяется разрушением структуры каолинита, как и предполагают в работе [18].

 

Рис. 4. Термическая диаграмма (ДСК-кривая) светложгущихся глин:
1 (зеленая линия)
импортное, 2 (синяя) Амгинское, 3 (красная) Намцырское

 

 

Ярко выраженный эндотермический эффект каолинита наблюдается в светложгущихся глинах (рис. 4) в интервалах температур 500600 °С с острой вершиной в 511,9, 501,8 и 505,5 °С соответственно у образцов 1, 2 и 3. В данном случае, как отмечается в работе [19], процесс для муллита происходит быстро, интенсивно, так как на амплитуда эндотермического эффекта значительная, и пик имеет острую форму. Экзотермический эффект проявляется в диапазоне температур от 900 до 1000 °С с достаточно острыми пиками в 988,1, 960,7 и 903,9 °С соответственно у образцов 1, 2 и 3. Таким образом, следует отметить в светложгущихся глинах присутствующий каолинит имеет очень хорошую степень кристаллизации.

 

Рис. 5. Термическая диаграмма (ДСК-кривая) красножгущихся суглинков:
4 (голубая)
Усть-Алданское, 5 (фиолетовый) Санниковское

Как показывают ДСК-кривые в табл. 5, слабый эндотермический эффект каолинита наблюдается у образцов красножгущихся суглинков при температурах меньше 500 °С с пиками в 493,4 и 489,2 °С для образцов 4 и 5 соответственно. Экзотермический эффект в интервале температур 9001000 °С практически не заметен. Поэтому следует отметить, что в образцах красножгущихся суглинков в незначительных количествах имеется каолинит со низкой степенью кристаллизации.

Как отмечено в статье [20], в Al-монтмориллонитах температура второго эндоэффекта колеблется в пределах 600700 °С и 700800 °С. Поэтому в ДСК-кривых рис. 4-5 наличие эндоэффектов с пиком в 701,0, 717,4 и 723,3 у образцов 1, 4 и 5 соответственно предполагает присутствие в них монтмориллонита (табл. 4).

По результатам рентгенофазового и термического анализа образцов глинистого сырья составлена таблица наличия основных минералов, влияющих на свойства керамических изделий из них (табл. 2).

 

Таблица 4

Минералогический состав глинистого сырья

Название минерала

Месторождения

1 Импортное

2 Амгинское

3 Намцырское

4 Усть-Алданское

5 Санниковское

Монтмориллонит

+

 

 

+

+

Каолинит

+

+

+

+

+

Кварц

+

+

+

+

+

Полевой шпат

 

 

+

 

 

Слюда

+

+

+

+

+

Кальцит

+

 

 

 

 

Карбонат

 

 

 

+

+

Альбит

 

 

+

 

 

 

 

Сопоставление изображений, полученных в разных сигналах РЭМ, позволяет делать вывод о морфологии и составе поверхности глинистых образцов. По результатам РЭМ установлены элементы и их процентные соотношения. Кристаллы монтмориллонита хорошо наблюдаются по форме и структурным особенностям. Они обнаружены в красножгущихся глинах (Санниковская и Усть-Алданская). Кристаллы каолинита обнаружены во всех образцах глинистого сырья, на изображениях хорошо проглядываются контуры плоских ограненных частиц и их микроагрегатов.

Прочностные характеристики образцов сырца и обожжённых материалов определялись по стандартной методике (табл. 6). Повышенной прочностью при сжатии в 6,03 и 3,91 МПа обладают обожженные глины (импортная и Намцырская), применяемые в гончарном деле, хотя имеют низкие показатели прочности при изгибе по сравнению с другими керамическими образцами. Следует отметить, что по показателям технологических (табл. 1) и прочностных характеристик (рис. 6) исследуемые суглинки разведанных месторождений (Амгинское, Усть-Алданское и Санниковское) относятся к низкокачественному глинистому сырью для производства керамического кирпича и требуют дальнейшей отработки технологии.

 

 

а)                                                                         б)

 

Рис. 6. Прочностные характеристики образцов:
 а
предел прочности при сжатии, МПа; б предел прочности при изгибе, МПа

 

 

Испытуемые образцы подвергались резким перепадам температур согласно ГОСТ 473.5-81 «Изделия химически стойкие термостойкие керамические». Установлено, что керамические образцы из природного глинистого сырья (Намцырский 14, Амгинский 8, Санниковский и Усть-Алданский 10 циклов) обладают меньшей термостойкостью, чем из импортной гончарной глины (18 циклов).

Выводы.

  1. Показана эффективность использования современных методов физико-химического анализа (РФА, РСА, РЭМ и термический анализ) в исследовании физико-механических, химических и технологических свойств глинистого сырья для производства керамических изделий.
  2. Химический состав исследуемого глинистого сырья определялся методом рентгеноспектрального анализа, не требующей предварительной химической подготовки исходных образцов. Глинистое сырье содержит оксиды кремния (53,5863,59 % мас.), алюминия (14,34–34,39 % мас.), железа (0,93–4,39 % мас.), кальция (0,52–3,15 % мас.), магния (0,48–2,76 % мас.), натрия (0,25–2,12 % мас.), калия (0,68–5,48 % мас.), титана (0,761,50 % мас.), а также следы различных примесей.
  3. Комплексный термический и рентгенофазовый анализ позволяет определить минеральный состав исследуемого глинистого сырья. В процессе термического анализа природного глинистого сырья, которое состоит из разнообразных минералов, наблюдаются экзотермические и эндотермические эффекты, соответствующие монтмориллониту и каолиниту. Результаты исследования указывают на то, что исследуемое легкоплавкое глинистое сырье в основном состоит из каолинита и монтмориллонита, присутствуют примеси кварца, слюды, кальцита, хлорита и многослойных минералов.
  4. Красножгущиеся суглинки относятся к глинистому сырью низкого качества для производства керамического кирпича.  Обожжённые образцы пластического формования имеют невысокие показатели по прочности при сжатии в пределах 6,785,56 МПа. Поэтому глинистое сырье подлежит дальнейшему исследованию для улучшения технологии переработки сырьевых компонентов. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании исходных составов смесей (шихт) с различными добавками из природного и техногенного сырья.
  5. Светложгущиеся глины могут быть использованы с последующей доработкой технологии в изготовлении керамических изделий декоративно-художественного, бытового и строительного назначения, а также в качестве минеральной добавки в производстве лицевого кирпича.
Список литературы

1. Пояснительная записка к обзорной карте месторождений строительных материалов Якутской АССР масштаба 1:2500000. Т. 1 и 2. М: Объединение «Союзгеолфонд», 1988. 421 с.

2. Ушницкая Н.Н., Местников А.Е. Физико-химический анализ глинистого сырья для керамзита // Успехи современного естествознания. 2022. № 10. С. 124–129.

3. Тацки Л.Н., Ильина Л.В., Филин Н.С. Технологические принципы повышения качества керамического кирпича полусухого прессования из низкокачественного сырья // Известия вузов. Строительство. 2019. № 7. С. 35–48.

4. Соромотин А.М. Нефтегазовые ресурсы Республики Саха (Якутия): состояние, перспективы использования // Вестник СВФУ. 2014. Том 11. № 2. С. 129–136.

5. Женжурист И.А. Проблемы предприятий строительной керамики малой мощности // Строительные материалы. 2000. № 7. С. 2–3.

6. Столбоушкин А.Ю. Перспективное направление развития строительных керамических материалов из низкокачественного сырья // Строительные материалы. 2018. № 4. С. 24–28.

7. Столбоушкин А.Ю., Фомина О.А., Дашжамц Д. Перспективы использования некондиционного сырья в производстве керамических изделий // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4 (23). С. 115–119.

8. Sutakova E., Mestnikov A. Basics of recreation of ancient ceramics production technology // EDP Science. 2018. Pp. 95–100.

9. Карпова В.Г., Сутакова Э.М. Изучение технологических параметров керамической глазури на основе глин Санниковского и Верхневилюйского месторождений Республики Саха (Якутия) // Естественно-научные исследования: итоги и перспективы развития. Ч. 3. 25-летие химического отделения: итоги и перспективы развития: сборник научных трудов научно-практической конференции. Якутск: издательство СВФУ, 2018. С. 212–216.

10. Батршина Г.С., Давлетшина А.Д. Исследование структуры глинистого сырья для керамических изделий // Строительные материалы и изделия. 2020. Том 3. № 4. С. 13–23

11. Evtushenko E.I., Moreva I.Yu., Sysa O.K., Bedina V.I., Trunov E.M. Control of the structural and phase characteristics of raw materials in the technology of fine ceramics // Refractories and Industrial Ceramics. 2011. Vol 51. № 6. Pp. 397–398.

12. Рентгеноспектральные и морфологические исследования продуктов дробления // Наука и образование. 2016. № 3. С. 68–75.

13. Ильина Л.В., Тацки Д.Н. Наномодифицирование низкокачественного глинистого сырья – способ повышения прочности керамического черепка // Вестник ЮурГУ. Серия “Строительство и архитектура”. 2022. Т. 22. № 2. С. 28–36.

14. Chetverikova A.G., Kanygina O.N., Filyak M.M., Savinkova E.S. Physical optics methods of recording weak structural responses of dispersed clay systems to the effect of microwave radiation // Measurement Techniques. 2018. Т. 60. № 11. Рр. 1109–1115.

15. Morozov V., Eskin A., Salakhov A., Korolev E. Modern methods studying the phase composition of clay raw material at kiln process // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 21, Construction - The Formation of Living Environment. 2018. 032048.

16. Oranska O.I., Gornikov Yu.I. X-Ray Diffraction and Thermal Studies on Some Food and Cosmetic Bentonite Clays. Khіmіya, fіzika ta tekhnologіya poverkhnі = Chemistry, Physics and Technology of Surface. 2019. Vol. 10. №1. Рp. 13–21.

17. Будыкина Т.А., Гандурина Л.В. Исследование свойств глинистых пород методом термического анализа // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2023. №65(1). С. 77–88.

18. Нгуен Нгок Нам, Лай Тхи Биск Тхуи, Фам Динь Ан. Оценка эффективности методов рентгеноструктурного анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии при анализе глинистых минералов // Известия Сибирского отделения секции наук о Земле РАЕН. Гидрогеология и инженерная геология месторождений полезных ископаемых. 2019. Т. 42. № 2. С. 221–228.

19. Маслова М.Д., Белопухов С.Л., Тимохина У.С., Шнее Т.В., Нефедьева Е.Э., Шайхиев И.Г. Термохимические характеристики глинистых минералов и слюд // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 21. С. 121–127.

20. Maslova M.D., Belopukhov S.L., Timokhina U.S., Shnee T.V., Nefedeva E.E., Shaikhiev I.G. Thermochemical characteristics of clay minerals and mica [Termohimicheskie harakteristiki glinistyh mineralov i slyud]. Bulletin of the Kazan Technological University. 2014. Vol. 17. No. 21. Pp. 121–127. (rus)


Войти или Создать
* Забыли пароль?