книги / Производство керамзита

ных форм железа под влиянием восстановителей и раз­ лагающихся органических веществ.

Среди железистых соединений, обнаруживаемых в легкоплавких глинистых породах, преобладают гидрок­ сиды железа. Основная часть их обычно находится в тонкодисперсном состоянии и равномерно распределена по всей массе глинистой породы. Часть их сосредоточи­ вается на поверхности раздела между слоями и отдель­ ными структурными элементами породы, а также по тре­ щинам в виде желто-бурых и бурых пленок, окаймле­ ний, налетов и даже конкреций. Чаще всего гидроксиды железа встречаются в поверхностных глинах, в особен­ ности запесоченных, куда легче проникает окисляющая влага, а также в обнажениях при разработке карье­ ров глинистых пород. При использовании глинистого сырья в производстве керамзита, где оксидам железа отводится важная роль в процессах вспучивания, указан­ ную особенность следует учитывать и при неравномер­ ном распределении составляющих приводить глинистую породу путем переработки к однородному составу.

Еще до недавнего времени к гидроксидам железа от­ носили большую группу природных образований под об­ щим названием лимонит или бурый железняк, различаю­ щихся между собой переменным количеством конститу­ ционной, растворенной и адсорбированной воды. При этом по содержанию воды среди них выделяли следую­

дов железа, изучение кривых нагревания и обезвожива­ ния, проведенные в последние годы, показали, что суще­ ствует только одно определенное химическое соединение оксида железа с водой Fe20 3-H20, имеющее две поли­ морфные модификации: гетит Fe20 3-H20 и лепидокро­ кит Fe20 3-H20.

Разновидностью соединения закись-оксида железа с водой является гидрогематит Fe20 3-2/3H20. Следует ска­ зать, что если из-за скрытокристаллической структуры многих гидроксидов железа их трудно идентифицировать в чистом виде, то в глинах их отличить друг от друга крайне трудно. Поэтому в большинстве случаев удовлет­

воряются констатацией наличия суммарного их количе­

ства.

По внешним признакам гетит и лепидокрокит трудно различимы. Гетит имеет кристаллическую структуру, по­ добную диаспору а=А120 3-Н20, а лепидокрокит — ана­ логичную корунду I/=A 120 3-H20. Цвет обоих минералов от желтого до темно-коричневого, состоят они из чешуй­ чатых частиц землистых масс. Повышение содержания воды против F2C>3-H20 у природных лимонитов связано с различной адсорбционной способностью исходных про­ дуктов гидратации. В чистом виде гетит и лепидо­ крокит встречаются редко:

Гидрогетит Fe20 3-nH20 весьма распространен в при­ роде, плотность его 4—5,5 г/см3, цвет от желтого до бу­ рого, часто с пестрой побежалостью. Это продукт гидра­ тации гетита или лепидокрокита, которому присуши свойства той группы соединений, которые по прежней классификации назывались бурым железняком и лимо­

нитом.

Гидрогетит образуется при окислении или разложе­ нии пирита, глауконита, сидерита, хлоритов и других железистых соединений, легко переходит в растворы и выпадает из них. В глинах находится как в тонкодис­ персном состоянии, так и в виде сплошных масс, окайм­ лений, пыли, отдельных зерен и других скоплений по поверхности раздела структурных элементов породы.

Гидрогематит Fe20 3-2/3 Н20 — продукт гидратации оксида железа — гематита, может также образовывать­ ся при разложении ярозита и окисления сидерита, а в условиях жаркого климата — при гидратации гидрокси­ дов железа. Подобно гидрогетиту, содержится в глинах как в виде скоплений по поверхности раздела структур­ ных элементов, так и в тонкодисперсном состоянии. Плотность его 3,34 г/см3.

К наиболее распространенным в глинистых породах минералам группы сульфидов относится пирит FeS2 (плотность 4,9—5,2 г/см3, цвет желтый). Цвет глинистых пород, содержащих пирит, обычно от синевато-серого до черного, что в значительной мере обусловлено присут­ ствием органических веществ.

Пирит весьма распространенный минерал, содержа­ щийся почти в каждой глинистой породе. Особенно мно­ го пирита содержат глины и глинистые фланцы, богатые органическими примесями. Образуется в восстановитель­

ной среде при разложении органических вещестй в уголь­ ных залежах, торфяниках, илистых породах и т. д., осо­ бенно в условиях сероводородного заражения.

На поверхности пирит легко выветривается, выделяя гидроксиды железа и серную кислоту, которая уходит в раствор или, взаимодействуя с карбонатами, образует гипс. При отсутствии карбонатов серная кислота дейст­ вует на гидроксиды железа и глину, образуя сульфаты алюминия и ярозит. В глинах пирит часто находится в ассоциации с сидеритом и баритом.

Плотность марказита FeS2 4,6—4,9 г/см3, цвет светложелтый. В глинах встречается обычно совместно с пири­ том и трудно отличим от него. На поверхности быстро выветривается, давая гидроксиды железа и сернистые соединения.

К минералам группы сульфатов относят ангидрит CaS04 и гипс двуводный CaS04*2H20. Общее количе­ ство сульфатных соединений, содержащихся в глинах, не превышает 1— 2 %. При равномерном распределении и тонкодисперсном состоянии сульфаты в указанных ко­ личествах не оказывают существенного влияния на вспучиваемость глин и качество получаемого керамзита.

Из большого количества минералов группы карбона­ тов в глинах чаще всего встречаются кальцит СаС03, доломит CaMg(C03), магнезит MgC03 и сидерит FeC03. В керамзитовом сырье допускается содержание не более 6 % мелкодисперсного карбоната кальция. Наличие в глинистом сырье карбонатов кальция в виде каменистых включений делает его непригодным для производства ке­ рамзитового гравия по сухому и пластическому способу.

Глинистые породы всегда содержат органические ве­ щества. Физическое состояние и химический состав их весьма разнообразны. Наряду с мало разложившимися остатками органических веществ растительного или жи­ вотного происхождения в глинах присутствуют гумусо­ вые вещества сложного состава, образовавшиеся в ре­ зультате химических и биохимических превращений, свя­ занных с жизнедеятельностью микроорганизмов. Основ­ ная часть органических веществ обычно находится в тон­ кодисперсном гсостоянии и тесно связана с минеральной частью глины, накапливаясь в ее коллоидной фракции. Другая часть разложившихся веществ иногда представ­ лена скоплениями и натеками по поверхности структур­ ных элементов породы. Наконец, часть органического ве­

щества глин может находиться в НеразЛожившемся со­ стоянии.

Наличие в глинистой породе до 2 % органических примесей в тонкодисперсном состоянии увеличивает ее способность вспучиваться и является желательным.

В больших или меньших количествах растворимые соли содержатся почти во всех глинистых породах.

В отличие от керамического производства, где неже­ лательно присутствие в исходном сырье растворимых со­ лей, так как они обусловливают цветные налеты и пят­ на на изделиях, при использовании глинистых пород для изготовления керамзита растворимые соли, наоборот, считаются полезным компонентом сырья. При быстром обжиге растворимые соли не мигрируют на поверхность глиняного материала, а сохраняются равномерно рас­ пределенными по всей массе и тем самым принимают участие в процессах вспучивания, с одной стороны, как поставщики газообразных продуктов разложения, а с другой, как компонент, способствующий более раннему размягчению глины.

Засоленные глийы, обычно содержащие до 2 % раст­ воримых солей, например майкопские,— замечательное сырье для изготовления керамзита.

Новообразованиями называют видимые невооружен­ ным глазом скопления и выделения различных веществ на поверхности раздела структурных элементов, а также в порах и трещинах породы, образовавшиеся в результа­ те физико-химических и биохимических процессов, про­ текающих в породе. Скопления органических веществ имеют черный или темно-бурый цвет, встречаются в ви­ де пятен, примазов, корочек, язычков на поверхности раздела структурных агрегатов. Скопления гидроксидов железа бурого и красноватого цвета имеют вид налетов, пленок, стяжений, а иногда и зерен. Скопления закисных форм железа имеют вид сизых, зеленовато-серых или синевато-серых пятен. Если закись железа представлена вивианитом, то новообразования имеют голубую окрас­ ку. По наличию тех или других новообразований в гли-

йистых породах можно, до известной степени, судить о генезисе породы.

Гранулометрический состав. Все минералы, входящие в состав полиминеральиых легкоплавких глин, можно подразделить на первичные и вторичные.

К первичным относят минералы, входившие в состав материнских пород, подвергшихся выветриванию: кварц, полевые шпаты, слюды, роговые обманки, авгиты, гра­ ниты, эпидот, турмалин, рутил, циркон, апатит, кальцит, доломит, серпентин, ставролит, титанит, магнетит, бетит, ангидрит, амфиболы и многие другие; к вторичным — минералы, образовавшиеся в процессе выветривания, переотложения и преобразования различных пород, в пер­ вую очередь глинообразующие минералы группы монт­ мориллонита, гидрослюд, гидрохлорита, вермикулита, каолинита, а также водные оксиды алюминия, оксиды и гидроксиды железа и многие другие.

Первичные минералы в глинах, как правило, более прочны и химически устойчивы, чем вторичные, что про­ является в том, что первичные минералы сосредоточи­ ваются главным образом в более крупных фракциях гли­ нистого сырья размером более 0,001 мм, тогда как вто­ ричные минералы составляют основу самых тонкодис­ персных фракций. Границей сосредоточения первичных и вторичных минералов в. глинах можно считать фракцию 1—5 мк. Так, кварц и полевые шпаты сосредоточиваются в основном во фракции крупнее 5—10 мк, а слюды — сре­ ди частиц крупнее 1—10 мк. Вторичные глинистые ми­ нералы различают также по физической прочности и хи­ мической устойчивости. Каолинит, например, более про­ чен и химически устойчив, чем монтмориллонит, поэтому кристаллические частички каолинита измельчаются меньше, чем частицы монтмориллонита. В связи с этим повышение содержания каолинита в глинах снижает их дисперсность, и наоборот, при увеличении содержания монтмориллонита степень дисперсности глин сильно воз­ растает.

Измерениями с помощью электронного микроскопа установлено, что размер частиц каолинита и плоскости спайности составляет 1—0,1 мк, а толщина 0,01—0,02 мк. Размер же кристаллов монтмориллонита, в плоскости спайности значительно меньше, а по толщине — около

0,001 мк.

Отношение длины к толщине у частиц каолинита И монтмориллонита резко различно. Толщина каолинитовых частиц длиной 100—500 мкм около 20 мкм, тогда как монтмориллонитовые частицы длиной 100—300 мкм

ных минералов, обладающих значительной химической устойчивостью при относительно малой физической прочности.

На основании анализа данных о минералогическом составе различных фракций глин представляется воз­ можным сделать следующие выводы. Частицы крупнее 0,01 мм представлены в глинах преимущественно квар­ цем при незначительном содержании слюды, полевых шпатов и некоторых других первичных минералов. Среди частиц размером 0,01—0,005 мм в различных соотноше­ ниях содержатся кварц, слюда, полевые шпаты и неко­ торые другие первичные минералы. Фракции 0,005— 0,0005 мм слагаются в различных соотношениях, почти целиком из различных вторичных материалов группы монтмориллонита, гидрослюдных глинистых минералов, каолинита и др. Частицы менее 0,0005 мм, как правило, целиком сложены из вторичных тонкодисперсных мате­ риалов.

Таким образом, дисперсность глин и их минералоги­ ческий состав тесно взаимосвязаны.

Химический состав легкоплавких пород обусловлен их минералогическим составом, количеством и составом примесей и так же разнообразен, как и минералогиче­ ский состав.

В легкоплавких глинистых породах, как показали ис­ следования, состав основных составляющих, определяе­ мых химическим анализом, варьируется в весьма широ­ ких пределах: Si02 — 48—80 %; А12Оэ — 7—27 %; Fe20 3 и FeO — 0,5—13,5 %; СаО 0,5—20%-, MgO — 0,3— 12 %; КгО и Na20 — 0,5—7,5 %.

Разумеется, многие из них, если не большинство, не отвечают требованиям, предъявляемым к керамзитово-

му сырью, по многим причинам: из-за недостаточной вспучиваемости, или отсутствия ее, засоренности крупно­ зернистыми каменистыми или известковистыми включе­ ниями, содержания сверх допустимых пределов вредных для производства керамзита и его применения известковистых и сернистых примесей и т. д.

Большой интерес представляет закономерность рас­ пределения по разным фракциям глин различных состав­ ляющих, определяемых валовым химическим анализом. С уменьшением дисперсности глин содержание Si02 уве­ личивается. Это явление обычно связано с запесоченностью глин. С увеличением дисперсности до известного

возрастает. В большинстве случаев с ростом дисперсно­ сти содержание MgO и К2О увеличивается, а СаО умень­ шается. С уменьшением дисперсности глинистых фрак­ ций содержание органических веществ увеличивается.

1.4. Зависимость вспучивания глинистого сырья при обжиге от химического, минералогического и гранулометрического составов

Химический, минералогический и гранулометрический составы легкоплавких глинистых пород в решающей сте­ пени влияют на их вспучивание и образование ячеистой структуры керамзита. Однако анализ каждого из пере­ численных факторов без их взаимосвязи нередко приво­ дит к ошибочным оценкам качества керамзитового сырья.

Химический состав глинистых пород оказывает зна­ чительное влияние на процесс вспучивания главным об­ разом потому, что он обусловливает образование пиропластической массы при обжиге с оптимальной для по­ рообразования вязкостью в пределах определенного, до­ статочно Широкого интервала температур (50—200°).

Однако, каким бы благоприятным не было сочетание химических составляющих, создающих необходимые рео­ логические условия для порообразования размягченной массы, этого недостаточно, чтобы произошло само вспу­ чивание. Дело в том> что в отличие от ряда других видов

искусственных пористых материалов— пеностекла, пено­ пластов, газобетона и т. д., где порообразующий агент специально вводится в массу, поры в керамзите обра­ зуются за счет внутренних ресурсов исходной глинистой породы.

Важнейшее значение минералогического состава как раз и состоит в том, что он предопределяет сложный фи­ зико-химический процесс структурообразования керам­ зита, включая фазовые превращения на основных стади­ ях термообработки. Компоненты его (глинистые и неко­ торые другие минералы, органоминеральная часть) участвуют непосредственно или во взаимодействии друг с другом в образовании пористой структуры с выделе­ нием газопарообразной фазы, без которой невозможно порообразование и вспучивание. Кроме того, от минера­ логического состава глинистого сырья в основном зави­ сит и химический состав. Существенное значение имеет и гранулометрический состав, степень дисперсности час­ тиц минералов оказывает большое влияние на скорость, температуру и полноту протекания физико-химических процессов при обжиге, в частности на образование рас­ плава, его вязкость, структурные особенности керамзита и его прочность.

Химический состав вспучивающихся глинистых пород колеблется в широких пределах. Поэтому важно устано­ вить пределы содержания каждого из компонентов и их соотношения для вспучивающегося и невспучивающегося глинистого сырья, а также для сырья, обладающего раз­ личной степенью вспучивания. Автором исследованы лег­ коплавкие глинистые породы СССР, обладающие раз­ личной вспучиваемостью. Результаты этих исследований и многочисленных испытаний глинистых пород позволи­ ли нам условно разделить глинистое сырье на четыре группы (табл. 4).

Первая группа представлена хорошо вспучивающим­ ся сырьем, позволяющим в оптимальных лабораторных условиях при обжиге по ступенчатому режиму получать образцы керамзита с кажущейся плотностью в куске в пределах 0,2—0,5 г/см3 и с коэффициентом вспучивания свыше 4,5. В условиях производства при обжиге в одно­ барабанных вращающихся печах, отличающихся рядом серьезных несовершенств (см. разд. 3.5), влияющих на полноту протекания процесса вспучивания, из этой груп­ пы керамзитового сырья удается получить керамзит с

насыпной плотностью 250-^350 кг/м3, а в куске 400— 600 кг/м3 с коэффициентом вспучивания примерно 3—4,5. Лишь применяя специальные методы, например введе­ ние обволакивающих добавок, НИИкерамзиту удалось получить в производственных условиях из хорошо вспу­ чивающейся смышляевской глины керамзитовый гравий с насыпной плотностью 150 кг/м3 и коэффициентом вспу­ чивания около 7,5, т. е. достигнуть вспучиваемости, по­ лучаемой в лаборатории.

Помимо высокой вспучиваемости, характерной осо­ бенностью керамзитового гравия, получаемого при нор­ мальном обжиге из тщательно переработанного хорошо вспучивающегося сырья, является его внутренняя равно­ мерная, мелкоячеистая структура и тонкая, в большин­ стве своем шероховатая, наружная оболочка зерен.

Выделение в самостоятельную группу хорошо вспучи­ вающегося сырья, из которого получается керамзит с на­ сыпной плотностью 250—350 кг/м3, имеет еще и ту по­ ложительную сторону, что на основе именно такого за­ полнителя приготовляют, как показал опыт, теплоизоля­ ционный и особенно эффективный конструкционно-тепло­ изоляционный керамзитобетон класса В3,5 плотностью 700—800 кг/м3 для ограждающих конструкций, что, как правило, недостижимо не только для других видов ис­ кусственных пористых заполнителей, но и керамзита с более высокой плотностью.

Ко второй группе отнесено средневспучивающееся сырье, из которого в лабораторных условиях можно по­ лучить керамзит с кажущейся плотностью в куске 0,5— 0,8 г/см3 и коэффициентом вспучивания 2,5—4,5, а в про­ изводственных — с насыпной плотностью 350—400 кг/м3, в куске 600—850 кг/м3 и коэффициентом вспучивания 2—3.

Получаемый с соблюдением нормальных технологи­ ческих условий керамзитовый гравий из сырья второй группы также имеет равномерную внутреннюю структу­ ру, но его поверхностная корка зерен толще, чем у хо­ рошо вспучивающихся глинистых пород. Под влиянием железистых и органических добавок большая часть по­ род этой группы повышает свою способность вспучивать­ ся и может быть переведена в группу хорошо вспучи­ вающихся глинистых пород.

Из сырья второй группы получают керамзитовый гравий, на основе которого можно получить достаточно