» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Февраль, 2018 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №2 (11) 2018

Автор: Комарцова Анастасия Васильевна, преподаватель специальных дисциплин
Рубрика: Технические науки
Название статьи: Изменение механической прочности изделий из глин в связи со структурными изменениями глинистых минералов при обжиге

Статья просмотрена: 256 раз
Дата публикации: 08.02.2018

УДК 69

ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ГЛИН В СВЯЗИ СО СТРУКТУРНЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ ГЛИНИСТЫХ МИНЕРАЛОВ ПРИ ОБЖИГЕ

Комарцова Анастасия Васильевна

преподаватель специальных дисциплин

ОГАПОУ «Белгородский строительный колледж», г. Белгород

 

Аннотация. В представленной статье рассматривается явления плавления, которые связанные с механической прочностью изделий из глин при обжиге и объясняются цементированием структуры затвердевшим расплавом. На основе этого объектами исследования в представленной статье явились пробы различного минералогического

Ключевые слова: изделия из глины; глинистые минералы; обжиг; механическая прочность; изделия; минералы.

 

При исследовании поведения суглинков при обжиге установлено, что в сложении прочной структуры явления плавления не главные, что представляет собой ступень довольно сложного конечного процесса образования прочности. При этом прочность слагается на более ранней стадии, но при более низких температурах. Эта способность глин является индивидуальным свойством  и реакционной способностью данного материала. За количественную оценку данного свойства мы приняли − механическую прочность изделия после обжига при его температуре 800°, то есть ниже температуры появления первичного расплава.

Исследования по изучению изменения механической прочности изделий на основе структурных изменений глинистых минералов при обжиге могут дать сведения, которые позволят выявить, соотносительную роль структуры, а также реакционную способность в глинах различного минералогического состава. При этом известно, что сырье различного минералогического состава претерпевает изменения структуры в различной степени при разных температурах. Закономерность нарастания, как следует полагать, механической прочности должна быть различной у различного минералогического состава глин, которые находятся в некой зависимости от структурных особенностей глинообразующего минерала.

Исследования выбранных проб примерно полиминеральны и особенно отличаются по структуре глинообразующего минерала и количественному соотношению. Так, при низких температурах обжига нарастание прочности (до 800°С) реализуется за счет твердофазных реакций в коллоидных затвердевших пленках, различных у разных минералов. Поэтому, у глины и каолинита коллоидные пленки, которые обволакивают глинистый кристаллический минерал, близки по составу к самому глинистому минералу, у монтмориллонита значительно сложнее состав коллоидов. В связи с тем, что качественно различны коллоидные пленки, реакции, которые происходят в них при обжиге и сушке, характеризуют различия в активностях глин различного минералогического состава.

В специальной литературе указывается, что для трехслойных минералов типа талька изменение свойств с обжигом [2, с. 90] возможно объяснить за счет сдвигов, происходящие в структуре талька в отличие от каолинита, где сдвиги, по мнению А.И. Августиника, приводят к рассыпанию пакета на свои элеменарные части. Об изменениях в структурах при обжиге и о температурных фазах имеется достаточно литературных сведений [5, с. 78].

Выяснение зависимости структурных изменений с прочностной характеристикой изделий явилось предметом исследования. Обжиг проведен от 100 до 1200°С с интервалом в 100° на образцах каждой минеральной разности (полученных из пластичного теста). Показатель прочности определен как среднее показание из данных трех образцов, испытанных в сухом состоянии и после насыщения их водой. Для каждой минеральной разности сняты и расшифрованы рентгенограммы необожженных образцов и образцов, обожженных до 400, 600, 800 и 1000°С.

Изменение механической прочности с увеличением температуры обжига у каждой минеральной разности предполагает, что механическая прочность при 800° у глин различного минералогического состава различна. Так, активность очень низка у образца из каолинита и серицитовой глины, она значительно выше у глины и еще больше у образца и из монтмориллонита, причем у двух последних проб механическая прочность достаточно велика даже при низких температурах. Процесс нарастания прочности во всем температурном интервале у проб различного минералогического состава неодинаков. У серицита и каолинита σ сжатия не изменяется от 100 до 1100°, у глины и монтмориллонита σ сжатия резко начинает возрастать при 300°. Между тем обжиг до 1200° сопровождается глубокими изменениями структуры. Явления, происходящие при нагревании глинистых минералов на определенной стадии нагрева, нельзя рассматривать отдельно от процесса обезвоживания; при нагреве до сравнительно высоких температур изменения могут быть связаны с другими процессами. Обезвоживание у каолинита происходит в интервале температур 500−550° и приводит к образованию метакаолина.

Исследованиями структуры метакаолина [4] установлено, что метакаолин сохраняет хорошо упорядоченную структуру, несмотря на то, что она не обладает трехмерной правильностью, периодичность сохраняется в двух направлениях, то есть, при нагревании каолина до 550° слоистая структура сохраняется (структура каолина наследуется), но сокращение межплоскостного расстояния до 6,3 А° (вместо 7,15 А° ), вызванного обезвоживанием, нарушает периодичность в направлении, перпендикулярном к этой слоистости. На изменение прочности указанные процессы влияния не оказывают. Метакаолин представляет собой промежуточную стадию в закономерном переходе от каолинита к кубической фазе − шпинели. Этот переход происходит в некотором температурном интервале (550-925°С) и характеризуется следующими изменениями в структуре. Образующаяся при 550° структура при дальнейшем нагревании значительно уплотняется (плотность растет непрерывно), что объясняют [5] прогрессирующим вхождением двух кислородов элементарной ячейки в полости слоя Si-О, что образует более сжатую последовательность. Данная система, в которой поочередно располагаются в слои 6 и 8 кислородов, нестабильна и приводит к выделению SiO2, образуя новую последовательность, которую расшифровывают теперь как фазу шпинелевого типа − алюмокремневую шпинель [5]. Несмотря на изменения последовательности слоев, механическая прочность изделия, обожженного до 900°, не возрастает.

Шпинелевая фаза существует в коротком интервале температур от 920-1070°, т. е. она термически неустойчива, позволяя миграции из структуры SiО2. Быстрое, резкое нарастание прочности происходит при 1000°, в момент существования шпинелевой фазы. Муллит появляется при 1050°, который при дальнейшем обжиге увеличивает кристалличность, вместе с этим продолжается выделение SiO2 и при 1400° кристаллическая решетка приобретает параметры, соответствующие составу муллита, − 3А12О3* 2SiO2 (силлимонитовой структуры). Вместе с этими изменениями происходит нарастание прочности, которое вызвано глубокими изменениями структуры, но вероятно, не без участия расплава. Выявление фазовых изменений, которые происходят при нагревании глинистых минералов, производят рентгеновским методом. Анализ рентгенограмм каолинита подтверждает устойчивость структурных особенностей каолинита до 600°. На рентгенограмме образца, обожженного при 600°, рефлексы в меньшем количестве и имеют слабую интенсивность. При обжиге на 800° возникают рефлексы, которые характерны для кварца, и некоторые новые направления d = 4,71 и d = 3,70 средней интенсивности, которые принадлежат А1-Si − шпинели. Усиливаются шпинелевые и сохраняются линии кварца при 1000°.

Таким образом, рентгеновским анализом выявляются кварц, каолинит и шпинель, а фаза, которая образуется около 600°, дает мало заметные рефлексы видимо, из-за неправильности решетки. Начинается обезвоживание монтмориллонита в интервале температур 100−200°, сопровождающееся, уменьшением размеров ячейки от 10,0 А° до 9,4 А° [2, с. 91]. На механической прочности образца не сказывается потеря межпакетной воды. Потеря гидроксильной воды возникает при 500°, а заканчивается около 800°, при достижении максимума  около 700°. Согласно Бредли, Тило и Грима [4 , с. 78 ], у монтмориллонита слоистый тип сохраняется при удалении гидроксильной воды при температуре 800 - 900°. В данном случае наблюдается незначительное изменение относительного расположения слоев; период идентичности  вдоль оси  увеличивается на 0,1- 0,3А°, что вызывает перегруппировку октаэдрического слоя. Потеря гидроксильной воды и те перегруппировки, которые имеют место в структуре, заметного влияния на механическую прочность не оказывают. У монтмориллонита σ сжатия начинает расти около  300° и продолжает возрастать до 600°, после чего образцы вспучились. При обжиге выше 800° у различных монтмориллонитов могут образоваться различные первичные фазы:  либо шпинель , либо кварц. Новая фаза в первом случае образуется из октаэдрических слоев структуры глины, во втором − из тетраэдрических. Кварц будет развиваться при этом в монтмориллонит в том случае, если отсутствует замещение в тетраэдрическом слое , а шпинель − при наличии значительного замещения в тетраэдрических слоях кремния на алюминий и при низком содержании железа. Современными исследованиями установлено , что высокотемпературные фазы зависят от структурных особенностей самого монтмориллонита. Начальные фазы должны быть наследственными по отношению к первоначальной структуре; более поздние фазы, развивающиеся при более высоких  температурах, зависят от валового состава, «наследственность» играет незначительную роль. На рентгенограммах обожженных образцов из монтмориллонита при 400° обнаруживается монтмориллонит и кварц (последний находится и в исходной пробе), далее интенсивность линий монтмориллонита падает, а кварца − усиливается. При 800° линии в основном очень размыты из-за образующейся шпинелевой фазы, не имеющей очевидно, определенного состава. Линии кварца сохраняются. На рентгенограмме образца, обожженного до 1000°, усиливаются те рефлексы, которые были размытыми при 800°, то есть происходит рост частичек шпинели. Следует заметить, что монтмориллонит в отличие от каолинита в необожженном состоянии дает рентгенограмму со сравнительно слабой интенсивностью рефлексами по причине разбавления на 1/3 коллоидами. Наличие в монтмориллоните железа значительно, снижает плавкость, поэтому образцы при 700° деформируются.

Таким образом, у монтмориллонита рентгеновским анализом обнаруживаются изменения кристаллических фаз в процессе обжига, а следовательно, имеют место структурные изменения, которые не сказываются на σ сжатия.

Третью группу глинистых минералов характеризует гидрослюд, в специальной литературе [4, с. 78]очень мало данных о его структурных изменениях при обжиге. По данным исследований, в структуре у мусковита заметны изменения, которые возникают между 940 и 980 °. В этом случае выделение части гидроксильной воды характеризуется слабым расширением решетки по оси с, а только неполным ее разрушением.

Исследования иллиты [ он 4, с. 109] показали, что потеря гидроксильной воды не сопровождаются разрушением структуры. При 850° происходит нарушение структуры иллитов, так как образуется шпинель, количественно увеличивается с повышением температуры до 1200°.

Октаэдрический слой участвующий в образовании шпинели, включает в себя А12О3, железо и магний, а в образовании стекла участвуют щелочи и SiO2 из тетраэдрических слоев. Муллит образуется при 1100 °, и сохраняется до 1400°, а шпинель растворяется в стекле при 1300°.  До высоких температур кварцевая фаза при обжиге иллитов не обнаруживается. Из данной группы минералов нами исследована глина №1, которая представленна монотермитом, и глина №2 − серицитового состава. Судя по кривым нарастания прочности, эти глины ведут себя при  обжиге по –разному. Различие обеих глин заключается не столько в строении основного глинистого минерала, сколько в гранулометрии и минералогическом составе, глина №1 содержит 80% фракций мельче 1 мк, в том числе 8% коллоидов, а в глине №2 фракции мельче 1 мк − 3%, а коллоидов нет совсем. На рентгенограмме необожженной глины обнаруживаются рефлексы, которые принадлежат иллиту , но вместе с тем отмечаются и сильные линии каолинита (d =7,13, d = 3,58). При обжиге на 600° интенсивность линий иллита увеличивается, а линии каолинита исчезают. На термограмме при обжиге на 800° новых рефлексов не наблюдается. Уменьшение интенсивности линии происходит при 1000°, видимо, из-за разрушения структуры иллита. Вторая проба этой же группы минералов дает рентгенограммы, характер изменения которых аналогичен первой. Серицит обнаруживается на рентгенограммах при всех температурах обжига, вплоть до 1000°, причем при 600° исчезают линии каолина (с d = 7,12 и d = 3,55), примесь которого находилась в пробе, и появляется интенсивная линия с d = 3,71, характерная для серицита. По структуре своей обе пробы являются диоктаэдрическими, отличаются же они по степени окристаллизованности – более мелкая, глина №2 имеет более совершенные кристаллы [6, с. 90].

Таким образом, и в этой группе минералов не структурными изменениями вызвано нарастание прочности, так как даже внутри одной группы у одной σ сжатия начинает резко возрастать при 400°, у другой − только при 1000°С.

Итак, если говорить о соотносительной важности в процессе сложения механической прочности стадии плавления или стадии, характеризуемой активностью глин (до 800°С), то для глин различного минералогического состава их роль неодинакова. Для глин, где основным минералом является каолин и крупнокристаллические слюды (глины №2), прочность нарастает при температурах появления расплава, и стадия плавления является решающей, вместе с этим происходят коренные изменении в структуре при температурах выше 1000°С. Для глин монтмориллонитового (№1) и иллитового состава решающая роль принадлежит  реакциям при низких температурах, то есть  прочность диктуется реакционной способностью этих глин. Известно, что оканчивать обжиг на этой стадии невозможно из-за обратимости многих процессов при низких температурах (σ он сжатия у образцов, испытанных после насыщения их водой, значительно снижается). Поэтому нужен высоко температурный  обжиг для закрепления результатов , полученных в более ранней стадии . Если говорить о роли структурных изменений в сложении механической прочности при обжиге , судя по результатам исследования вышеприведенных образцов, то эти изменения влияют на механическую прочность либо очень слабо , либо , возможно , не проявляются совсем. В отличие от талька, который принадлежит к триоктаэдрическим минералам с закрытым пакетом и где сдвиги в структуре при обжиге обусловливают многие его свойства, исследованные пробы являются диоктаэдрическими, с открытым пакетом, а каолин имеет двухслойный пакет, поэтому сдвиги в них приводят к изменениям иного порядка. Следует оговориться, что для более категоричного заявления требуются более чистые мономинеральные он глины, а также глубокие онрентгеноструктурные исследования монокристаллов.

 



Список литературы:

  1. Усов П. Г., Губер Э. А. Изменение механической прочности изделий в связи со структурными изменениями глинистых минералов при обжиге // Известия Томского политехнического института. – 2009. –Т. 174. – С. 66 – 71.
  2. Воронова Н. Ф. Исследование физико-химических процессов в он покровных суглинках при термической обработке: дис. канд. техн. наук. –Томск, 2009.– 210 с.
  3. Гиллер Я. Л. Таблицы межплоскостных расстояний. – М.: Недра, 2006. –180 с.
  4. Езерский В. Н. Исследования глин для производства керамического кирпича и черепицы // Строительные материалы.– 2009. – № 3. – С. 45–50
  5. Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е. С. Физико-химические процессы при обжиге кислотоупоров. – СПб.: Недра, 2003. – 288 с.
  6. Погребенков В. М. Тонкая и строительная керамика с использованием кальций-магниевых силикатов и других видов он нетрадиционного непластичного сырья: дис. … д -ра техн. наук. – Томск , 2008. – 453 с.


Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: