Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Получение силикатных материалов гидротермального твердения на основе песчано-глинистых пород 11
1.1.1. Влияние глин и глинистых минералов на физико-механические свойства силикатных материалов 11
1.1.2. Использование песчано-глинистых пород для производства силикатных материалов в промышленных условиях 19
1.2. Использование силикатов магния в производстве автоклавных материалов 21
1.3. Реакции в силикатных и несиликатных водных системах 22
1.3.1. Система CaO-Si02-H20 22
1.3.2. Системы СаО-А1203-Н20 и CaO-Fe203-H20 23
1.3.3. Системы CaO-AI203-Si02-H20 и CaO-Fe203-AI203-SiOr-H20 25
1.3.4. Системы MgO-Si02-H20 и CaO-MgO-Si02-H20 27
1.4. Влияние минеральных составляющих песчано-глинистых пород на образование цементирующего вещества автоклавных материалов 30
1.5. Взаимосвязь между фазовым составом и физико-механическими свойствами цементирующего вещества автоклавных материалов 37
1.6. Выводы 39
2. Методы исследований 41
2.1. Методы изучения фазового состава сырьевых и синтезированных материалов 41
2.1.1. Рентгенофазовый анализ 41
2.1.2. Дифференциально-термический анализ 42
2.1.3. Электронно-микроскопический анализ 42
2.1.4. ИК-спектроскопический анализ 43
2.2. Определение физико-механических характеристик сырьевых материалов 44
2.2.1. Определение гранулометрии веществ 44
2.2.2. Определение удельной поверхности 46
2.2.3. Определение активности извести 47
2.3. Методика получения образцов 49
2.4. Определение физико-механических характеристик синтезированных материалов 49
2.5. Математическая обработка результатов исследований 50
3. Характеристика сырьевой базы силикатных изделий 52
3.1. Характеристика сырьевой базы силикатных изделий Архангельской алмазоносной провинции 52
3.2. Характеристика сырьевой базы силикатных изделий Новгородской области 57
3.3. Вещественный состав и свойства песчано-глинистого сырья 60
3.4. Микростроение исследуемого сырья по данным электронной микроскопии 70
3.5. Рациональные области использования техногенного сырья 75
3.6. Применяемые материалы 78
3.7. Выводы 78
4. Особенности взаимодействия магнезиальной глины с гидроксидом кальция 80
4.1. Синтез новообразований и формирование микроструктуры 80
4.2. Механоактивация известково-сапонитового вяжущего 89
4.3. Выводы 94
5. Свойства силикатных материалов на основе техногенного песчано-глинистого сырья 95
5.1.Определение формовочной влажности смеси 96
5.2. Влияние песчано-глинистого сырья на прочность сырца 97
5.3. Влияние техногенного сырья на окраску силикатных материалов 98
5.4. Физико-механические характеристики силикатных материалов 101
5.4.1. Изделия с содержанием супеси ААП 101
5.4.2. Изделия с содержанием песка ААП 116
5.4.3. Изделия на основе известково-песчано-сапонитового вяжущего 124
5.4.4. Изделия с содержанием отсева обогащения песка 134
5.5. Выбор рациональных составов силикатных изделий 146
5.6. Атмосферостойкость синтезированных силикатных материалов... 147
5.6.1. Испытания на воздухостойкость 148
5.6.2. Испытания на стойкость по отношению к углекислоте 149
5.6.3. Испытания на морозостойкость 150
5.7. Водостойкость синтезированных силикатных материалов 153
5.8. Выводы 154
6. Технология производства и свойства силикатных материалов в промышленных условиях 156
6.1. Технико-экономическая целесообразность применения песчано-глинистого сырья в качестве компонента силикатных камней 156
6.2. Характеристика изготавливаемой продукции 157
6.3. Расчет экономии материальных затрат при замене силикатных кирпичей известково-песчано-глинистыми камнями 158
6.4. Технология производства силикатных камней 163
6.5. Промышленные испытания 166
6.6. Выводы 169
Общие выводы 170
Библиографический список 173
Приложения 189
- Влияние глин и глинистых минералов на физико-механические свойства силикатных материалов
- Характеристика сырьевой базы силикатных изделий Архангельской алмазоносной провинции
- Синтез новообразований и формирование микроструктуры
- Влияние техногенного сырья на окраску силикатных материалов
Введение к работе
В настоящее время в связи с реализацией приоритетного национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» особую актуальность приобретают задачи увеличения производства и расширения области применения стеновых материалов, сочетающих в себе высокие конструктивные, декоративные и эксплуатационные качества с относительно низкой стоимостью. В большей мере перечисленным требованиям отвечают силикатные материалы автоклавного твердения, основным кремнеземистым компонентом для которых является техногенное песчано-глинистое сырьё.
В Архангельской области геолого-разведочными работами в районе добычи алмазов выявлены большие количества песчано-глинистых пород, характеризующиеся разнообразием вещественного состава и свойств. При разработке месторождений в Архангельской алмазоносной провинции (ААП) в зону горных работ попадают млн. м вскрышных и вмещающих песчано-глинистых пород, рациональные области использования которых не установлены. Целесообразно изучить возможность использования этих отложений в качестве сырья для производства силикатных материалов автоклавного твердения, а также сравнить с данными на основе других техногенных месторождений кремнеземистого сырья Северо-Западного Федерального округа РФ, в частности Новгородской области.
Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана госбюджетных НИР проводимого по заданию Министерства образования и науки РФ и финансируемого из средств федерального бюджета на 2004-2008 гг.
Цель и задачи работы.
Разработка технологии производства силикатных материалов автоклавного твердения на основе попутно-добываемых песчано-глинистых пород месторождений Архангельской алмазоносной провинции.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследование строения, состава и свойств песчано-глинистого сырья месторождений Северо-Западного Федерального округа РФ;
изучение продуктов и процесса структурообразования при взаимодействии магнезиальных глин (с высоким содержанием сапонита) с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях, а также разработка рациональных составов и технологии производства плотных силикатных материалов с использованием техногенного песчано-глинистого сырья;
разработка нормативно-технической документации по использованию техногенного песчано-глинистого сырья для получения автоклавных материалов и внедрение результатов работы.
Научная новизна.
Установлена высокая реакционная способность техногенного песчано-глинистого сырья ААП с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях, заключающаяся в ускорении синтеза новообразований и, соответственно, формировании оптимального состава цементирующих соединений при сокращенных режимах автоклавной обработки силикатных материалов, обеспечивающих высокие физико-механические показатели.
Показано, что рост прочности силикатных материалов на основе известково-песчано-глинистого вяжущего происходит в результате оптимизации микроструктуры цементирующего вещества за счет увеличения плотности упаковки материалов, а также синтеза крупнокристаллических фаз различного состава, являющихся микронаполнителем в гелевидной фазе из низкоосновных гидросиликатов, образующихся при взаимодействии с известью термодинамически неустойчивых породообразующих минералов песчано-глинистых пород незавершенной стадии глинообразования.
Установлено, что в системе сапонит-гидроксид кальция-вода при автоклавной обработке при температуре до 180 С и изотермической выдержке до 6 ч образуется высокопрочный состав цементирующих соединений из гидросиликатов кальция различной основности, кальцита и магнезита. В известково-песчано-глинистой смеси с содержанием магнезиальной глины (с высоким содержанием сапонита) цементирующие соединения преимущественно образуются за счет взаимодействии извести с сапонитом и частично с тонкодисперсным кварцем, что обеспечивает высокие физико-механические показатели силикатных материалов.
Практическое значение работы.
Определены рациональные способы использования техногенного песчано-глинистого сырья ААП. Полученные данные могут быть использованы для оценки сырьевых ресурсов техногенных месторождений других регионов.
Разработаны составы сырьевых смесей с использованием в качестве компонента вяжущего техногенного песчано-глинистого сырья месторождений ААП и Новгородской области для получения эффективных высокопустотных силикатных изделий. Получены силикатные материалы на основе известково-песчано-глинистого вяжущего с прочностью при сжатии 15-50 МПа, морозостойкостью до 50 циклов.
Предложены математические модели, позволяющие оптимизировать физико-механические показатели силикатных материалов на основе известково-песчано-глинистого вяжущего от технологических параметров производства, превосходящих по своим физико-механическим показателям традиционные известково-песчаные материалы.
Определены рациональные параметры гидротермальной обработки изделий на основе техногенного песчано-глинистого сырья. Снижение себестоимости производства на 25 % происходит за счет уменьшения энергозатрат на автоклавную обработку, сокращения брака в процессе формования и расхода сырьевых компонентов при получении пустотных изделий.
Внедрение результатов исследований.
В г. Боровичи Новгородской области на ООО «Завод силикатного кирпича» проведены промышленные испытания сырьевых смесей (рациональных составов) для производства окрашенного силикатного кирпича с применением техногенного песчано-глинистого сырья ААП и Новгородской области в качестве компонента вяжущего.
Результаты диссертационной работы внедрены на ООО «Завод силикатного кирпича» при выпуске опытно-промышленной партии силикатного кирпича с применением глинистого компонента отсева обогащения песка месторождений Новгородской области - «Сивельба», «Сутоки», «Фофанковское» и др. в качестве компонента вяжущего. Подписан протокол о намерениях по организации производства утолщенного пустотелого силикатного камня с
применением глинистого компонента отсева обогащения песка месторождений Новгородской области в качестве компонента вяжущего.
Разработан технологический регламент на организацию производства утолщенного пустотелого силикатного камня на основе известково-песчано-глинистого вяжущего с использованием техногенного песчано-глинистого сырья ААП.
Результаты научно-исследовательской работы внедрены при разработке технико-экономического обоснования эксплуатации месторождений ААП.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270106.
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности получения на основе нетрадиционного для стройиндустрии техногенного песчано-глинистого сырья ААП и Новгородской области силикатных изделий автоклавного твердения;
результаты исследования влияния техногенного песчано-глинистого сырья ААП и Новгородской области в сырьевой смеси на процессы формирования и состав продуктов реакции силикатных материалов;
технология производства эффективных окрашенных высокопустотных изделий на основе композиционного вяжущего, состоящего из извести и техногенного песчано-глинистого сырья;
- результаты внедрения.
Публикации.
Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 12 научных публикациях, в том числе в трех статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, защищены патентом на изобретение «Сырьевая смесь для получения силикатных изделий с использованием отходов алмазодобывающей промышленности».
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 227 страницах машинописного текста, включающего 31 таблицу, 57 рисунков и фотографий, списка литературы из 162 наименований, 10 приложений.
Влияние глин и глинистых минералов на физико-механические свойства силикатных материалов
В 1880 году немецкому доктору Михаэлису был выдан патент на запаривание в автоклаве известково-песчаных изделий в течение 9-Ю ч под давлением пара 8 атм. Им были решены главные вопросы производства силикатного кирпича: выработана технология приготовления смесей гашеной извести и песка, созданы формовочные прессы и способ запаривания при относительно высоком давлении пара. Изобретение Михаэлиса имело большое значение для развития промышленности известково-песчаных изделий [10]. Уже в 1912 г рекомендовалось включать в смесь молотый обожженный глиняный кирпич - так называемый кирпичный порошок. Эти добавки повышали прочность кирпича на сжатие. Приблизительно в то же время было замечено, что добавление в силикатную массу природной необожженной глины не оказывает вредного влияния на качество кирпича, если она достаточно перемешана. В 1916 г. Мазуренко и Киракосянц изучили влияние запаривания каоли-но-известковых смесей и нашли, что из них можно получить изделия с прочностью не ниже получаемой при применении известково-песчаных смесей. Но хорошо смешать глину с силикатной массой оказалось довольно трудно. Так, по мнению Михаэлиса применение песка со значительным содержанием глины приводит к повышению расхода извести [10].
Некоторые исследователи получили при добавлении глины отрицательные результаты. М. Глазенапп считал, что глина в условиях гидротермальной обработки обволакивает частицы песка и препятствует воздействию на них гидрата окиси кальция. А. Таль [11] указывал на вредное влияние добавки каолина, так как при этом, по его мнению, замедляется разложение песка. Н.Н. Смирнов [12] пришел к выводу, что пониженная прочность пропаренного кирпича связана с замедлением образования гидросиликата из-за присутствия глиноземистых соединений.
В Германии при выпуске силикатного кирпича не рекомендовалось брать пески с содержанием глины свыше 2,5 %, в СССР - с введением в 1933 г. ОСТ 5798/13 количество SiC в песке должно было быть не менее 90 %, а содержание глинистых частиц не должно превышать 8 %. В виде исключения стандарт допускал применение песка с содержанием Si02 не менее 87 %. На практике применение этих норм приводило в большинстве случаев к браковке песка, в результате чего укрепилось представление об ограниченности сырьевой базы для производства силикатного кирпича. Возможность изготовления строительных материалов из глино-известковых масс путем автоклавной обработки была впервые экспериментально доказана в СССР. Исследования, проведенные проф. П.П. Будниковым [13, 14], показали, что при действии пара под давлением на сформованные образцы из глины с до 13 бавкой извести можно получить, в зависимости от количества вводимой извести и условий пропаривания, той или другой механической прочности кирпич. Наиболее подробные исследования по вопросу о пригодности глины для силикатных изделий впервые провел в 1939-1940 гг. СМ. Розенблит, который установил, что глина, добавленная в сырьевую смесь и равномерно распределенная в ней, резко повышает прочность сырца и запаренного кирпича, а также увеличивает морозостойкость [15, 16]. Величина оптимальной добавки глины возрастает с уменьшением содержания извести в исходной смеси. Чем ниже активность массы, тем интенсивнее возрастает прочность материала при добавке глины. С увеличением добавки глины и активной СаО оптимальная формовочная влажность массы повышается. Рост прочности кирпича, по мнению СМ. Розенблита обуславливается, с одной стороны, благотворным влиянием дисперсных частиц глины на процесс уплотнения сырца, с другой - химическим взаимодействием глины с известью, которое само по себе повышает прочность материала больше, чем взаимодействие системы песок-известь. В работе [17] исследования со смесями глина-известь и глина-известь-песок показали, что добавка песка не увеличивает прочность глино-известковых изделий, но улучшает их морозостойкость. Оптимальное содержание извести составляет 20-30 %. С повышением давления пара повышаются прочность и морозостойкость изделий, а с увеличением продолжительности запарки повышается только морозостойкость. Малая изученность влияния глины на качество силикатного кирпича, а также необходимость расширения сырьевой базы для его производства послужили основанием для постановки в институте РОСНИИМС научно-исследовательской работы [18-29] по изготовлению известково-глино-песчаных и известково-глиняных материалов автоклавным способом. К.Ф. Яковлев [18, 19] установил, что добавка глины повышает прочность сырца и запаренного кирпича, а также сокращает длительность запаривания. Оптимальное содержание глин составило 40-60 % от массы смеси. При увеличении формовочной влажности смеси с 9 до 13 % прочность образцов возрастает. С дальнейшим увеличением влажности прочность снижается. Замена песка глиной дает возможность примерно на 25 % сократить удельный расход извести или при сохранении расхода извести соответственно повысить механическую прочность кирпича [20]. Л.М. Хавкин [29] отмечал, что добавка глины в силикатную массу дает эффект только в том случае, если глина вводится в шихту в дисперсном виде и равномерно смешивается с известью, с которой при запаривании вступает в химическую реакцию. И.А. Фальковым [21] были проведены сравнительные испытания влияния молотых добавок песка, известняка, трепела и глины в количестве 5-10 % на прочность образцов. Если исключить молотый песок, то наилучшие результаты показали образцы с добавкой глины. Глина повышает эффективность увеличения давления прессования и прочность кирпича может быть повышена за счет увеличения давления прессования на 30-50 кг/см2. Для обеспечения морозостойкости силикатного кирпича, получаемого на основе полевошпатовых песков, было предложено добавлять молотую глину в количестве 5-Ю % [22]. С.А. Кржеминский и О.И. Рогачева [23] установили, что наибольший эффект достигается при введении тонкодисперсной добавки, в частности глины, в массу на основе крупнозернистого песка. Рост прочности при оптимальной дозировке дисперсных добавок (30-50 %) происходит с увеличением активной СаО до 8-10 %. Положительное влияние глины С.А. Кржеминский и др. [24, 30] объясняют повышением плотности изделий и количества гидратных новообразований за счет повышения степени вовлечения в сферу реакции Si02- К такому же выводу пришли и другие исследователи [31].
Характеристика сырьевой базы силикатных изделий Архангельской алмазоносной провинции
Общая площадь известных к настоящему времени объектов магматизма Архангельской области составляет менее 20 тыс. км , и в соответствии с применяемой, например для Якутской алмазоносной провинции (общей площадью около 1 млн км2) классификацией магматических объектов, площадь магматизма Архангельской области должна рассматриваться как магматический узел. Вместе с тем запасы алмазов коренного месторождения им. М.В. Ломоносова, сопоставимые с запасами целой провинции, и петрографическое многообразие магматических проб позволяют говорить об Архангельском магматическом узле как об алмазоносной провинции. Такое близкое размещение тел предопределяет сходство их минерального состава [138].
В Архангельской алмазоносной провинции по характеру пространственного размещения магматических объектов выделяются поля - Золотицкое, Кепин-ское, Верхотинское, Мельское, Чидвинское, Турьинское, Полтинское и Пинок-ское (см. рис. 3.2). Промышленно-алмазоносные трубки, выполненные кимберлитами, сосредоточены преимущественно в пределах Золотицкого поля (месторождение им. М.В. Ломоносова) и трубки им. В. Гриба (Аномалия 441) находящейся в пределах Верхотинского поля. Трубки и силлы кимберлитов, оливи-новых мелилититов и базальтов других полей являются слабоалмазоносными и неалмазоносными.
В геологическом строении Архангельской провинции участвуют два структурных этажа - архей-нижнепротерозойский кристаллический фундамент и ри-фей-палеозойский осадочный чехол. Структуры фундамента, исходя из общего тектонического плана севера Восточно-Европейской платформы и геофизических данных, находятся на юго-восточном продолжении сформированных в позднем архее и в различной степени переработанных в раннем протерозое ли-тосферных блоков Балтийского щита Кольского полуострова [139].
Возраст магматизма Архангельской провинции в настоящее время изотопными методами датирования достоверно не установлен; датирование К-Аг методом кимберлита трубки им. Ломоносова дало приблизительную оценку возраста около 355 млн лет. Вместе с тем детальное изучение ископаемых остатков флоры и фауны в кратерных и жерловых частях диатрем, проведенное СМ. Саблуковым [140] совместно с сотрудниками Ботанического института РАН, позволяет достаточно уверенно считать возраст магматизма как поздний девонранний карбон ( 380-360 млн. лет). Косвенно на этот же возраст магматизма указывают данные датирования проб щелочных массивов, а также кимберлитов и оливиновых мелилититов Кольского полуострова [141].
Существующая пространственная и временная взаимосвязь кимберлитово-го и мелилититового магматизма Архангельской провинции с другими проявлениями магматизма севера Восточно-Европейской платформы и, в частности, с крупномасштабным проявлением щелочного магматизма (в том числе и алмазоносного кимберлитового) Кольского полуострова позволяет предполагать однотипность в развитии и строении структур фундамента Архангельской провинции и блоков Кольского полуострова.
В геологическом строении провинции (рис. 3.3) принимает участие, главным образом, терригенный комплекс вендских отложений мощностью более 900 м, залегающий на кристаллическом фундаменте платформы (поздний архей, беломорская серия). Переслаивающиеся песчаники, алевриты аргеллиты венского возраста образуют горизонтально залегающую недислоцированную толщу. В ней выделяется три свиты (сверху вниз). Верхняя, подунская, в разрезе которой песчаники составляют 75 % объема. Подчиненное значение в составе этой свиты имеют алевролиты (20 %) и аргеллиты (5 %). Мощность свиты колеблется от 30 до 170 м. Ее подстилает мезенская свита, сложенная, в основном, алевролитами (75 %), в меньшей степени песчаниками, алевропесчаниками (20%) и аргеллита-ми (5 %). Мощность свиты - около 260 м. В основании разреза находится усть-пинежская свита, состоящая из алевролитов (60 %) и аргеллитов (40 %). Песчаники практически отсутствуют. Мощность свиты превышает 450 м.
Нижний структурный этаж представлен беломорской серией (AR2bl), имеет боковое строение с развитой системой крупных горстов и грабенов северозападного простирания, представляющих собой элементы древних рифтоген-ных структур, которые рассекаются системами поперечных глубинных (трас-формных) разломов. Верхний структурный этаж (венд-четвертичный) сформирован в течение длительного времени и нескольких последовательных тектоно-магматических циклов (герцинский этап).
В среднем и верхнем девоне, вплоть до карбона, район подвергся тектоно-магматической активности, в процессе которой по меридиально ориентированным зонам произошло внедрение кимберлитовых проб, образовавших трубки и силы.
Большинство трубок ААП перекрыты каменноугольными, пермскими и четвертичными отложениями, суммарная мощность которых для разных трубок варьирует от 20 до 80 м. Большинство трубок обладает сложным внутренним строением, зависящим от условий и стадийности их формирования, а также наличия или отсутствия кратера и мощности проб кратерной фации.
Синтез новообразований и формирование микроструктуры
. Изучены физические характеристики и вещественный состав вскрышных проб месторождения им. М.В. Ломоносова и вмещающей пробы Чидвинского поля Архангельской алмазоносной провинции, а также глинистого компонента отсева обогащения песка месторождений Новгородской области. Вскрышная проба №1 ААП классифицирована как супесь твердая, пылеватая с числом пластичности 3,5; проба №2 - как песок пылеватый. Вмещающая проба №3 классифицирована как глина тяжелая с числом пластичности 54,42, с высоким содержанием оксида магния (18,92 %). Проба №4 представляет собой песок (отсев песка) пылеватый. 2. Песчано-глинистые отложения обладают природным ярко выраженным окрасом: супесь - ярко желтым, песок - темно-красным, глина - серым с зеленым оттенком, отсев песка - коричневым, что позволит использовать их в качестве природного пигмента для силикатных материалов. 3. Спецификой глинистых проб №1, 2 и 4 является незавершенность процессов глинообразования. Пробы содержат тонкодисперсный слабоокатанный кварц, несовершенной структуры гидрослюду, монтмориллонит, каолинит, смешанослойные образования и другие минералы. Они широко распространены на территории различных регионов России и попадают в зону горных работ при добыче полезных ископаемых. Большая часть этих отложений, не соответствующая нормативным требованиям, не пригодна для производства цемента и керамических изделий. 4. Песчано-глинистая проба №3, являясь магнезиальной глиной, в России в больших количествах распространена на территории Архангельской области в пределах Архангельской алмазоносной провинции. Спецификой магнезиальной глины является наличие в ее составе мономинерального смектита - сапонита (до 98 %), а также кальцита и термодинамически неустойчивых соединений, таких как смешанослойные минералы, тонкодисперсный слабоокатанный кварц. Области применения этих глин разнообразны: производство керамических и прессованных стеновых материалов обладающих высокими коррозионными свойствами, стеклокристаллических материалов, керамзита и пористых наполнителей бетона, железорудных окатышей, а также сорбентов и катализаторов. Они могут быть существенно расширены в будущем (кормовые добавки, буровые и тампо-нажные порошки, фармацевтическая, лакокрасочная промышленность и др.). 5. Вещественный состав изученного сырья позволяет предположить, что их, возможно, использовать для производства силикатных материалов автоклавного твердения.
Основным кремнеземсодержащим компонентом в технологии силикатных материалов гидротермального твердения традиционно используется кварцевый песок, требующий высоких энергозатрат для его активизации путем тонкого измельчения хотя бы частичного объема. Особый интерес в технологии силикатных изделий представляют продукты с высокой химической активностью, которые не только заменяют кварцевый песок, но и интенсифицируют технологические процессы.
Процесс синтеза искусственного камня в системе CaO-Si02-H20 зависит от энергетического состояния кварца. Роль СаО-Н20 заключается в разрыхлении структуры диоксида кремния и формировании на его основе гидросиликатов кальция. Ускоряется этот процесс путем диспергации сырья при помощи помольных агрегатов, применением термовлажностной обработки, введением добавок. Использование термодинамически активного сырья позволяет сократить расход энергоносителя при помоле и гидротермальной обработке.
Спецификой магнезиальной глины ультраосновного состава, в больших количествах распространенной на территории Архангельской области в пределах Архангельской алмазоносной провинции является наличие в ее составе мономинерального смектита - сапонита (до 98 %), а также других глинистых минералов, тонкодисперсного слабоокатанного кварца и кальцита.
Актуальной является задача проведения исследований по получению на основе этого сырья разнообразных строительных материалов, в частности силикатных автоклавного твердения.
Как отмечалось в предыдущих главах, магнезиальные глины сапонитового состава ранее не использовались в производстве автоклавных строительных материалов. С целью определения возможности использования ее в качестве сырья для получения силикатных материалов были изучены продукты синтеза и микроструктура новообразований в известково-сапонитовом вяжущем в условиях автоклавной обработки.
Вещественный состав и свойства магнезиальной глины Архангельской алмазоносной провинции рассмотрены в гл. 3. В качестве известкового компонента использовался оксид кальция с активностью 96,8 %, полученный обжигом карбоната кальция марки ХЧ при 1000 С. Эксперименты проводились на образцах-цилиндрах диаметром и высотой 3,0 см. Готовили смеси известково-сапонитового вяжущего с содержанием извести от 10 до 40 мае. %. Образцы ав-токлавировали по режиму 1,5+6+1,5 ч при давлении пара 1,0 МПа. Результаты экспериментов представлены на рис. 4.1.
Влияние техногенного сырья на окраску силикатных материалов
К декоративным свойствам силикатных материалов относят цвет материала, состояние лицевой поверхности и четкость граней со стороны фактурного слоя. В зависимости от вида применяемого сырья силикатные материалы обладают светлой основой - от белого, светло-серого, кремового до розового цветов. Со временем, в процессе длительной эксплуатации под действием естественной карбонизации белизна теряется и неокрашенные силикатные изделия, в частности, становятся серым со своеобразными выцветами. Данный факт обусловливает применение в технологии окрашивающих добавок, дающих четкую, насыщенную и устойчивую во времени окраску. По данным Б.Н. Виноградова и др. коэффициент белизны силикатных автоклавных материалов достигает 55-60 % от эталона белизны сульфата бария [151]. Это позволяет успешно окрашивать силикатные изделия, придавая им любой цвет и широко их использовать в отделочных и художественно-декоративных работах.
Из всего многообразия красящих веществ для производства цветных силикатных изделий автоклавного твердения может применяться лишь ограниченное их количество, т.к. требования, предъявляемые к таким веществам, очень жестки. Непременным условием для применения пигментов должна быть их устойчивость в щелочной среде, условиям автоклавной обработки, к действию солнечного света и атмосферных факторов. В их составе не должно быть вредных примесей, отрицательно влияющих на конструктивные свойства силикатного материала или вызывающих образование солевых выцветов на поверхности изделий.
Наилучшим способом введения пигмента является его совместный помол с частью песка и последующее смешивание с остальными компонентами смеси. Хорошие результаты достигаются и при совместном помоле пигмента с известью и песком, при котором можно избежать отрицательного влияния влажности песка на равномерность распределения пигмента за счет частичного гашения этой влагой извести [64,152].
При выборе режимов автоклавной обработки цветного силикатного кирпича с одной стороны необходимо стремиться к сокращению изотермической выдержки, чтобы пигменты (особенно активные) не успели в заметной степени вступить в реакцию с компонентами силикатной смеси, а малоактивные не заглушались большим количеством гидросиликатов, а с другой стороны обеспечить получение изделий заданной прочности.
Наиболее перспективно использование в качестве пигментов некоторых отходов промышленности и горных пород. Их использование позволит не только окрашивать силикатные изделия, но и улучшить основные физико-механические и технологические свойства.
Как ранее описывалось в гл. 3, исследуемое сырье имеют различную естественную окраску: супесь - ярко-желтую, песок - темно-красную, глина - серую с зеленым оттенком и отсев песка - темно-коричневую.
Образцы на основе супеси приобретают желтую окраску, которая практически не изменяются от времени гидротермальной обработки. Насыщенность цвета усиливается с увеличением содержания супеси до 30-40 мае. %. Образцы на основе песка приобретают красную окраску. Насыщенность цвета усиливается с увеличением содержания песка до 30-40 мае. % и далее не изменяется. Следует отметить, что видимая окраска образцов с 8 мае. % СаОаКт светлее, чем с 6 и 4 мае. % СаОакт. Цвет образцов практически не изменяются от времени гидротермальной обработки в пределах 1-6 ч. Образцы на основе магнезиальной глины приобретают серую окраску. Насыщенность цвета усиливается с увеличением содержания глины до 15-20 мае. % и далее не изменяется. Образцы на основе отсева песка приобретают светло коричневую окраску. Насыщенность цвета усиливается с увеличением его содержания до 30-40 мае. % и далее не изменяется.
Очевидно, что главную роль в окрашивании материала оказывает механическое перемешивание и распределение в структуре новообразований тонко-диспергированного красящего вещества, так как в случае активного взаимодействия оксидов хромофоров с известью цвет образцов бы изменялся.
Наиболее вероятный механизм окрашивания силикатных материалов автоклавного твердения заключается в следующем. Песчано-глинистое сырье, введенное в виде известково-песчано-глинистого вяжущего, равномерно распределяется в силикатной смеси, что улучшает при автоклавной обработке поглощение гелем новообразований высокодисперсных хромофоров (оксидов и гидро-ксидов железа и магния). Чрезвычайно развитая удельная поверхность гелевид-ных продуктов реакций и непрерывное диспергирование в процессе гидротермального синтеза создают условия для тонкого распределения оксидов и гидро-ксидов в массе новообразования. Это способствует уплотнению геля и упрочнению кристаллического сростка. Второстепенным процессом является образование в автоклавных условиях гидросиликатов металлов хромофоров.
Физико-механические характеристики силикатных изделий с содержанием супеси в качестве компонента вяжущего определялись на экспериментальных образцах изготовленным по разработанной нами методике. Содержание супеси варьировалось от 5 до 60 мае. %. Активность смеси составляла 4, 6 и 8 мае. %. Образцы подвергали автоклавной обработке при давлении насыщенного пара 1,0 МПа. Подъем давления пара в автоклаве осуществлялся за 1,5 ч, время изотермической выдержки составляло 6 ч, сброс давления - 1,5 ч. Результаты физико-механических испытаний образцов представлены в табл. 5.3 и на рис. 5.2.
