Ильина В.П., Лебедева Г.А., Попова Т.В.

Институт геологии Карельского НЦ РАН, г.Петрозаводск, Россия

Clay samples from two active deposits in Karelia were analysed. They were found to be a suitable raw material for the production of high-grade full bricks, but not ceramic face bricks because the clay absorbs a lot of water upon kilning at 950оС. The compositions of face bricks, comprising local clays and artificial additives used to reduce the water absorption of the bricks to meet relevant requirements, were developed.

С увеличением темпов строительства новых жилых домов возрастает потребность в отделочных строительных материалах. К наиболее востребованным архитектурно-отделочным и конструкционным материалам относится лицевой керамический кирпич, обладающий высокой экономичностью и декоративностью [1]. Так как к лицевому кирпичу предъявляются повышенные требования по водопоглощению (6-14%) по сравнению с полнотелым кирпичом (не менее 8%), то для его производства необходимо высококачественное сырье. Однако на большинстве заводов используется глинистое сырье, которое не обеспечивает, без корректирующих добавок, получение изделий, соответствующих требованиям на лицевой кирпич. Поэтому необходимы глубокие исследования химического и минералогического состава, керамических свойств и технологических особенностей используемого глинистого сырья и добавок, улучшающих качество лицевого кирпича.

На территории Карелии общее число выявленных объектов глин превышает полторы сотни. Однако, подготовленных к промышленному освоению числится 9 месторождений, а к группе разрабатываемых относятся два : Вороновское (АО «Кондопога», производительность 50 млн. шт. в год кирпича) и Бесовецкое (АОЗТ «Кондопожский шунгизитовый завод», производительность 10 млн. шт. в год условного кирпича). Глины этих месторождений по балансовым запасам относятся к промышленному сырью (тыс. м³): Бесовецкое А +В+ С₁-1458; Вороновское С ₂ -1885, А +В +С₁ -1846. Керамическим заводом АО «Кондопога» производится полнотелый  керамический кирпич высоких марок (100 - 150). В настоящее время стоит вопрос о производстве отделочной керамики.

В данной работе исследованы глины двух месторождений Карелии (Вороновское, Бесовецкое), с целью получения лицевого кирпича. Изучены химический и минералогический составы, керамические свойства и технологические характеристики глин этих месторождений и выполнено сравнение со свойствами кембрийской глины Чекаловского (Новгородская обл.) месторождения, используемой для производства отделочной строительной керамики.

Для исследования использованы пробы глин, химические составы которых приведены в таблице 1.

Исследованные пробы глин содержат значительное количество красящего оксида железа, что обеспечивает красную окраску черепка при обжиге. По содержанию алюминия в прокаленном состоянии они относятся к группе полукислого глинистого сырья согласно ГОСТ 9169-91 «Сырье глинистое для керамической промышленности».

Таблица 1
Химические составы глин

По гранулометрическому составу (табл. 2) Бесовецкая и Вороновская глины отличаются незначительно и относятся к низкодисперсным с содержанием 22-24.63 % частиц размером менее 0,001 мм. По сравнению с карельскими глинами Чекаловская глина содержит более чем в два раза глинистой фракции (52%) и относится к среднедисперсным, По керамическим свойствам Вороновская глина соотвествует по числу пластичности (среднее по 5 пробам) 17,6 к средне-пластичным, а Бесовецкая и Чекаловская близки к умеренно-пластичным (число пластичности 11,5; 14,5). Все глины легкоплавкие (огнеупорность 1150-1250^оС), с низкой чувствительностью к сушке (коэффициент чувствительности к сушке менее 1) (0,242, 0,51, 0,31).

Минеральный состав глинистого сырья определен с помощью оптической микроскопии, рентгенофазового и дифференциально-термического (ДТА) анализов. На рисунке 1 представлены дериватограммы исследованных глин.

По данным РФА глинистая фракция всех исследованных глин состоит в основном из минералов группы гидрослюд: d (А) 9,7 - 9,9; 4,92 - 4,95; 4,48 с примесью хлорита : d 13,81 - 14,03; 6,97 - 7,08; 4,69 - 4,71. Возможно также присутствие в небольших количествах монтмориллонита и каолинита, основные линии которых близки к линиям хлорита и гидрослюд. Песчаная и пылеватая фракции содержат кварц, полевой шпат, в меньших количествах амфибол, эпидот, биотит. В Бесовецкой глине отмечаются гидроокислы железа.

Таблица 2 Керамические свойства глин

Рис. 1. Термограммы глин  1 - Вороновское, 2 - Вороновское (после обжига при 320^оС), 3 - Бесовецкое, 4 - Чекаловское

На термограмме Вороновской глины (рис. 1, № 1) отмечается значительный экзоэффект при 320^оС, что характерно для присутствия органического вещества [2]. После выдержки глины в течение 2 часов при 320^оС этот эффект на термограмме отсутствует, вследствие полного выгорания органики (рис.1, № 2). На термограмме Вороновской глины очень слабо выражены эндоэффекты, что характерно для гидрослюд близких к мусковиту, у которого отсутствуют тепловые эффекты до 800-1000^оС [2]. Вероятно, это связано с низкой степенью гидратации минерала. Известно, что некоторые гидрослюды дегидратируются и разлагаются в интервале 750-960^оС. По-видимому, гидрослюды, содержащиеся в Вороновской глине, относятся к таким минералам [3]. Термограмма Бесовецкой глины (рис. 1, № 3) отличается от Вороновской значительно более слабым экзоэффектом при 320^оС, что свидетельствует о меньшем содержании органического вещества. Кроме того, на ней более четко выражены эндоэффекты гидрослюд, характеризующие потери межслоевой (110^о) и кристаллизационной воды (450 - 600^оС). На термограмме Чекаловской глины (рис. 1, № 4) четко выражен эндоэффект в области 480 - 600^оС, характеризующий потерю кристаллизационной воды и эндоэффект при 925^оС, отражающий разрушение решетки глинистого минерала.

Исследование керамических свойств и технологических характеристик глин осуществлялось на образцах, изготовленных в виде кубиков размером 50 х 50 мм методом пластического формования. После суточного вылеживания рабочая влажность масс составляла 17 - 18%. Образцы подвергались предварительной сушке при 105^оС, а затем обжигались в лабораторной силитовой печи КО - 14 при 900 - 1100^оС, с интервалом 50^оС. Средняя скорость подъема температуры составляла 2-3 град/мин., выдержка образцов в печи при достижении необходимой температуры - 40 мин. Образцы охлаждались вместе с печью.

Рис. 2.  Зависимость изменения свойств от температуры обжига глин

Определение водопоглощения, механической прочности выполнены в соответствие с требованиями ГОСТ 7484-78 «Кирпич и камни керамические лицевые». Зависимость изменения свойств исследованных глин от температуры обжига показана на рисунке 2.

После обжига в интервале температур 900 - 1100^оС повышается общая усадка всех глин, что свидетельствует об улучшении спекаемости. Это обусловливает снижение водопоглощения и увеличение механической прочности. Причем Вороновская глина в этом температурном интервале, по сравнению с Бесовецкой и Чекаловской глиной отличается более высоким водопоглощением и низкой объемной массой. По-видимому, это связано с повышением пористости черепка из Вороновской глины за счет выгорания органического вещества, на что указывает эндоэффект на термограмме при 320^оС (рис. 1). Температура начала спекания Вороновской глины на 50^оС выше, по сравнению с Чекаловской, что отражается на водопоглощении черепка (рис. 2). Образцы из карельских глин имеют более высокое водопоглощение (16-17%) по сравнению с образцами из Чекаловской глины при температуре обжига кирпича 950-1000^оС, принятой в производстве и не соответствуют требованиям ГОСТ 7484-78 по водопоглощению (6-14%) для лицевого кирпича. Чекаловская глина характеризуется низким водопоглощением (11.13%) после обжига при 950^оС, а при 1000^оС - 9,5%, что соответствует ГОСТ. Это объясняется лучшей спекаемостью Чекаловской глины за счет большего содержания глинистой фракции по сравнению с карельскими глинами, характеризующимися значительно меньшим количеством частиц размером менее 0,001 мм.

С учетом химических, минералогических и керамических свойств карельских глин выполнены исследования по разработке составов лицевого кирпича на основе глин Вороновского месторождения и добавок из техногенных видов сырья (полевошпатовых отходов обогащения пегматитов, талько-хлоритовых пород, диатомитов, стеклобоя).

Установлено, что введение добавок из техногенного сырья (от 8 до 20%) к глине Вороновского месторождения позволяет лишь на 2-3% снизить водопоглощение (до 14.6%) кирпича, обожженного при 950^оС. Наблюдается снижение водопоглощения при использовании в кирпичных массах одновременно двух глин. Принимая во внимание широкие перспективы применения ПАВ (поверхностно активные вещества) в строительстве нами изучены добавки к глине, позволяющие снизить водопоглощение при 950^оС до 11.2%.

Выводы
1. Исследованные глины двух разрабатываемых месторождений Карелии (Вороновское и Бесовецкое) пригодны для производства полнотелого керамического кирпича высоких марок (100,125), но не могут быть использованы без добавок для получения лицевого кирпича, так как имеют высокое водопоглощение (17-18%) по сравнению с требованиями к лицевому кирпичу.
2. Получены составы лицевого кирпича на основе глин Карелии с использованием добавок, позволяющих снизить водопоглощение кирпича, обожженного при 950^оС, до значений соответствующих ГОСТ 7484-78 (11.2% и менее).
3. Для производства лицевого кирпича в Карелии необходимо продолжить работы по изучению глин других месторождений и соответствующих добавок.

Литература

1. Химическая технология керамики/Под ред. проф. И.Я. Гузмана. - М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003.- 496 с.
2. Горшков В.С. Термография строительных материалов. М., - 1968. - 237 с.
3. Августиник А.И. Керамика. Л.: Строииздат. - 1975. - 591 с.