ТСМ I

Средняя плотность ( т) (удельный вес) вес единицы материала в его естественном состоянии или в том виде, в каком он будет применяться в строительстве (вместе с порами и пустотами, при определенной влажности).

Насыпная плотность отношение массы материала в насыпном состоянии к его объему. Насыпную плотность определяют для сыпучих материалов (песка, щебня, цемента и т.д.). В ее величине отражается не только влияние пор в каждом зерне или куске, но и межзерновых пустот в рыхлонасыпном объеме материала.

Для ряда простых технических расчетов определяют коэффициент плотности kпл, характеризующий степень заполнения объема материала веществом:

kпл	V			m		, массовые доли, или
	Vест
k			V		100%		m	100% ,
	пл
			Vест

Пористость объем содержащихся в материале пор (мелких ячеек, заполненных воздухом или газом), выраженный в процентах к общему объему материала. Например, пористость гранита составляет 1 %, пористость минеральной ваты 90%.

Пористость и плотность взаимосвязанные понятия. Их величины, выраженные в процентах, суммарно составляют для каждого материала 100 %.

Пустотность наличие воздушных полостей в материале (например, в пустотелом кирпиче). Пустотность песка и щебня составляет 35-45 %, пустотелого кирпича - 15-50%.

Водопоглащение свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном с ней соприкосновении. Характеризуется количеством воды, поглощаемой сухим материалом, погруженным полностью в воду, и выражается в процентах от массы (водопоглощение по массе) или отнесенное к его объему водопоглощением по объему.

Влагоотдача свойство, характеризующее скорость высыхания материала при наличии условий в окружающей среде (понижение влажности, нагрев, движение воздуха). Влагоотдача характеризуется количеством воды, которое материал теряет за сутки при относительной влажности воздуха 60 % и температуре 20°С. В естественных условиях вследствие влагоотдачи, через некоторое время после окончания строительных работ, устанавливается равновесие между влажностью строительных конструкций и окружающей средой. Такое состояние равновесия называют воздушно-сухим или воздушно-влажным равновесием.

Морозостойкость способность насыщенного водой материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного снижения плотности.

31

РАЗДЕЛ №2. Сырьевые материалы для производства неметаллических силикатных материалов

Классификация сырья для производства неметаллических и силикатных материалов

При всех принципиальных отличиях стекла, керамики и вяжущих материалов их получение базируется на одних и тех же видах сырья, меняется лишь их количественное соотношение в сырьевых смесях (пример – карбонатное сырье).

По происхождению сырье можно разделить на 3 группы:

Природное;

Техногенное;

Синтетическое (специально синтезируемые вещества, применяются в основном в технической керамике и стеклоделии).

Внаибольших объемах используется природное сырье. Основные его виды

по химико-минералогическому составу можно разделить на 5 групп:

Кремнеземистое;

Алюмосиликатное;

Карбонатное;

Глиноземистое;

Сульфатное.

Классификация сырьевых материалов технологии ТНСМ представлена на рисунке.

Как видно из рисунка, большинство видов сырья используется во всех трех технологиях. Однако каждая технология предъявляет к конкретному сырью свои специфические требования.

32

Классификация сырьевых материалов технологии неметаллических силикатных материалов

			Природное сырье НСМ
кремнеземисто		алюмосиликатно		карбонатное		глиноземисто			сульфатное

Песок кварцевый (В,

Кварцит (В, К,

Диатомит (В)

Опока (В)

Трепел (В)

Глины (В, К)

Глинистый сланец

(В, К)

Каолины (К, С)

Суглинки (В, К)

Полевой шпат (К, С)

Перлит (В, К)

Туф (В)

Трасс (В)

Пемза (В)

Пегматиты (К, С)

Известняк (В, К,		Нефелин (К,		Гипс (В)
С)
		Боксит (В)		Ангидрит (В)
Мел (В, К, С)				Тенардит (В,
Доломит (В, К,
Магнезит (В, К,
С)
Мергель (В, К,

Техногенное сырье НСМ

Черной		Цветной		энергетики		Химической
металлургии		металлургии				промышленности
Доменные шлаки (В,		Металлургические		Топливные шлаки		Фосфогипс (В)
К, С)		шлаки (В)		(В)
		Фосфорные шлаки		Золы (В, К, С)
		(В, К)
		Нефелиновый шлам

33

Кремнеземистое сырье

Кварцевый песок – основной компонент стекольной шихты и известково-кремнеземистых вяжущих, применяемых для производства силикатного кирпича и ячеистых блоков, как добавка вводится в

керамические массы и цементные сырьевые смеси.

Кварцевый песок – это продукт разрушения горных пород, состоящих в основном из зерен кварца, отличающийся высоким содержанием SiO2, малым количеством примесей и мелкозернистостью.

По условию образования различают пески:

делювиальные (смытые со склонов);

пролювиальные (отложенные временными потоками);

алювиальные (речные);

морские;

эоловые (дюнные).

Наибольшей чистотой обладают речные пески. Примесями в песке являются слюды; полевые шпаты, оксиды железа, карбонаты.

Пригодным для производства стекла считается песок, содержащий не менее 95-98% SiO2, при производстве оконного стекла содержание Fe2O3 не должно быть более 0,05%, для оптического – не более 0,01%, а для бутылочного – до 0,25%, для зеркального– 0,015-0,02%, для оконного тянутого – 0,05-0,07%.

Наряду с химическим составом песков большое значение имеет их гранулометрический состав. Вообще, песок в основном состоит из зерен 0,1-2 мм. Наиболее пригодны для стекловарения пески с размером зерен от 0,15 до 0,4 мм. Крупные зерна плохо провариваются и ухудшают качество изделий.

Песок, идущий на изготовление силикатного кирпича, должен иметь шероховатую поверхность песчинок и различный по крупности зерен состав, что дает более плотную упаковку и снижает расход извести. Молотый песок для автоклавных материалов содержит не менее 75% SiO2, а для немолотого содержание глинистых частиц соответственно не более 5-10%.

Кварцевый песок для производства изделий тонкой керамики должен содержать не менее 93-95% SiO2, не более 0,2-0,3% Fe2O3 и TiO2, не более 1- 2% CaO; остаток на сите №4 не должен составлять более 2-5%.

Кварциты – используются в керамической шихте для производства огнеупоров, фарфора и фаянса. Они представляют собой плотные горные породы, сложенные преимущественно из округлых зерен кварца, сросшихся между собой (кристаллические кварциты) или сцементированных аморфной кремнекислотой (цементные кварциты). Твердость по школе Мооса 6-7. Как кристаллические, так и цементные кварциты очень плотные и крепкие, что в

34

свою очередь уменьшает количество примесей, а имеющиеся примеси вследствие особенностей строения распределены равномерно.

Диатомит, трепел, опока – применяются как активные минеральные добавки к цементу и извести. Это осадочные горные породы, сложенные в основном опалом, т.е. минералом, представляющим собой водную аморфную кремнекислоту. Их состав можно выразить общей формулой: mSiO2· nH2O. Содержание SiO2 в среднем составляет 70-85%, но может достигать 98%,

Al2O3 – 5-13%, CaO – 2-6%, MgO до 3%, Fe2O3 – от долей % до 5-10%,

содержание воды – 3-13%. Это породы, как правило, рыхлые и обладают малой плотностью и высокой пористостью.

Диатомит – рыхлая или сцементированная порода белого, серого или желтоватого цвета, сложенная более чем на 50% скорлупами диатомитовых

водорослей. Плотность – 1900-2200 кг/м3, насыпная плотность – 400-1250 кг/м3.

Трепел по внешнему виду и химическому составу очень схож с диатомитом и представляет собой слабосцементированную или рыхлую породу, состоящую из округлых глобулей опалового кремнезема. Плотность

– 1900-2400 кг/м3, насыпная плотность – 300-1200 кг/м3, пористость – 6064%.

Опока – это близкая по составу к трепелу порода, отличающаяся большей плотностью и сцементированностью. Насыпная плотность составляет 1000-1800 кг/м3.

В керамической промышленности применяют для изготовления кирпича, черепицы, труб и т.д.

Алюмосиликатное сырье

Глины являются основным сырьем керамического производства и важнейшим компонентом портландцементной сырьевой смеси. Они представляют собой осадочные тонкообломочные горные породы, состоящие в основном из глинистых минералов каолинитовой, монтмориллонитовой и гидрослюдистой групп.

Отличительным свойством глин является их высокая пластичность, обусловленная слоистым строением кристаллических решеток глинистых минералов, т.е. внутри слоев между ионами существует прочная ионная и ковалентная связь. Связь между отдельными пакетами, образующими слоистое строение глинистых минералов, осуществляется за счет слабых остаточных сил между ионами пакетов. Особенность строения этих пакетов обуславливает способность этих глинистых минералов расщепляться на тонкие частицы с размерами менее 0,01 мм, самопроизвольно

35

диспергировать в воде, набухать за счет вхождения молекул воды в межслоевое пространство.

Минералогический состав глин представлен преимущественно водными алюмосиликатами (т.е. глинообразующий минерал) и кварцем в виде кварцевого песка. Их химический состав колеблется в широких пределах: SiO2 – 45-80%, H2O – 3-15%, Al2O3 – 10-40%. В небольших количествах в глинах могут присутствовать катионы кальция, магния, натрия, железа и др., которые могут входить в структуру глинистых минералов, так и в состав примесей глинистой породы – полевого шпата, слюды, карбонатов.

Классификация глин (для керамики):

1.Огнеупорность - это свойство глины и керамики на ее основе противостоять действию высоких температур. По огнеупорности глины делят на:

огнеупорные ( более 1580 ْС);

тугоплавкие (1350-1830 ْС);

легкоплавкие (менее 1350 ْС).

2.По содержанию Al2O3 различают 5 групп, в которых глинозем содержится от 14% (кислые) до 45% и выше (высокоглиноземистые).

3.По содержанию красящих оксидов (Fe2O3 и TiO2) на 4 группы;

4.По температуре спекания на 3 группы: до 1100 ْС; 1100-1300 ْС; свыше 1300 ْС.

5.По пластичности:

высокопластичные (число пластичности свыше 25);

среднепластичные (15-25);

умереннопластичные (7-15);

малопластичные (3-7);

непластичные (не размокающие в воде),

6.По водопоглощению черепка:

сильноспекающиеся (менее 2%);

среднеспекающиеся (2-5%);

неспекающиеся (свыше 5%).

Спекаемость глины зависит от содержания в ней минералов плавней, ее дисперсности и вида основного глинистого минерала.

Огнеупорные глины – состоят в основном из кремнезема и глинозема (не менее 26%) и очень небольшого количества плавней – оксидов железа, кальция, магния, щелочных металлов. С увеличением содержания Al2O3 и уменьшением количества плавней огнеупорность глин и изделий на их основе повышается.

36

Глинистые сланцы – это плотные породы, образованные из глин в результате полиморфизма, отличаются от глин большей плотностью и твердостью, а также меньшей пластичностью и набухаемостью.

Каолины – важнейшее сырье для производства тонкой керамики (фарфора, фаянса), а также входят в состав стекольных шихт. Они состоят почти исключительно из минерала каолоинита Al2O3·2SiO2·2H2O. Каолины обычно светлых тонов, до чисто белого цвета, обладают сравнительно малой пластичностью, в качестве примесей обычно содержат кварц и полевой шпат.

Каолины подразделяются по происхождению на:

первичные – каолины, образовавшиеся на месте залегания;

вторичные – каолины, перенесенные тем или иным путем на

место залегания.

Вторичные каолины отличаются от первичных некоторым разнообразием минералогического состава, обилием примесей и тонкой дисперсностью. Первичные каолины обычно применяются в обогащенном виде, а вторичные – в необогащенном.

Полевые шпаты в керамических масках играют роль плавня, а в стекольных шихтах обеспечивают повышение механической прочности и химической стойкости стекла. По химическому составу они представляют собой алюмосиликаты щелочных металлов и кальция.

Кальциевые полевые шпаты (K2O·Al2O3·6SiO2) – ортоклазы – имеют крупнокристаллическую структуру.

Натриевые полевые шпаты (Na2O·Al2O3·6SiO2) – альбиты – мелкозернистые массы.

Кальциевые полевые шпаты (CaO·Al2O3·2SiO2) – анортиты, известково-натриевые полевые шпаты (плагиоклазы) имеют характерное пластинчатое строение кристаллов.

Наиболее качественный керамический черепок получают при использовании ортоклазов, т.к. их расплав обладает большей вязкостью, что и способствует сохранению формы изделий при обжиге.

Промышленные запасы полевого шпата очень ограничены, поэтому используются смешанные калий-натриевые, кальций-натриевые шпаты. Главным источником служат крупнокристаллические горные породы – пегматиты, сложенные натрий-кальциевым шпатом и кварцем (около 25%).

Перлит, пемза, туф, трасс – высокоактивные алюмосиликатные породы вулканического происхождения; используются в керамическом производстве в качестве плавней, в цементной промышленности – в качестве активных минеральных добавок. Туфы и трассы образовались вулканических пеплов, а пемза и перлит – из лавы. Высокая активность этих пород связана с тем, что алюмосиликаты находятся в них в виде метастабильного вулканического стекла.

37

Карбонатные породы

Известняк, мел – основное сырье для производства извести, портландцемента, глиноземистого цемента, важнейшие компоненты стекольных и керамических шихт. Известняк и мел состоят в основном из минерала кальцита CaCO3, отличаются лишь плотностью.

Известняк – твердая плотная осадочная порода.

Мел – это осадочная мелкозернистая и рыхлая порода, состоящая из скелетных частей и панцирей простейших организмов.

Качество карбонатного сырья зависит от его структуры, количества и вида примесей, а также распределения их в массе. Для производства портландцемента пригодны карбонатные породы при содержании CaO – 4243,5%, MgO – 3,2-3,7%. Желательно, чтобы сумма Na2O и K2O не превышала 1%, а содержание SO3 было не больше 1,5-1,7%. Более благоприятны породы с постоянным химическим составом и однородной мелкозернистой структурой. Полезны примеси тонкодисперсного глинистого вещества и аморфного кремнезема при равномерном их распределении в карбонатной породе. Включения доломитов и крупнокристаллического кварца, имеющих низкую реакционную способность, нежелательны.

Наиболее высокие требования предъявляются к известняку для стекольной промышленности.

	ИК-54-0,1	ИК-53-0,2	ИК-51-0,3
CaO	54	53	51
Fe2O3	0,1	0,2	0,3
MgO	0,6	1,5	2,5
Al2O3	0,5	1	1,5
SiO2	1	1	10

Мергель – лучшее сырье для производства портландцемента, может также использоваться в составе стекольных шихт. Это переходная горная порода от известняков к глинам, она представляет собой природную смесь из 20-50% глинисто-песчаных веществ и 50-80% мельчайших частиц углекислого кальция. В зависимости от содержания CaCO3 и глинистопесчаного вещества мергели подразделяют на:

песчаные,

глинистые,

известковые.

Наиболее ценное сырье – известковый (натуральный) мергель, содержащий примерно 75-80% CaCO3 и 20-25% глины. По химическому составу он близок к портландцементной сырьевой смеси, что упрощает производство портландцемента.

В стекольные шихты введение мергеля желательно при производстве бутылочного стекла.

38

Магнезит и доломит – основное сырье для производства магнезиальных вяжущих веществ, они также могут входить в состав стекольных и керамических шихт.

Магнезит – горная порода, состоящая преимущественно из MgCO3, встречается в природе в аморфном и кристаллическом виде.

Доломит – горная порода, состоящая из CaCO3· MgCO3 и примесей. В чистом виде содержит 54,3% CaCO3 и 45,7% MgCO3. В качестве примесей магнезит и доломит содержат SiO2, Al2O3, Fe2O3.

В доломите для стеклоделия регламентируется содержание Fe2O3: для сортового стекла – не более 0,05%, полированного < 0,1%, оконного < 0,2%.

Глиноземистое сырье

Бокситы – основное сырье для получения глиноземистого цемента, используется также как корректирующая добавка в портландцементные сырьевые шихты. Бокситы состоят в основном из гидроксида алюминия. Содержание алюминия в пересчете на Al2O3 в бокситах, используемых в технологии ТНСМ, составляет 30-49%. Наиболее распространенными примесями являются SiO2, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO. Регламентируется содержание SO3 – не более 0,5%.

Минерал нефелин имеет формулу Na[AlSiO4]. Используется в стекольном и керамическом производстве в основном в виде нефелинового концентрата, получаемого обогащением апатитонефелиновых руд, при этом содержание нефелина в нем достигает 80-85%. Нефелин содержится также в породах нефелинового сиенита, состоящего из 50-55% полевого шпата, 3040% нефелина и примесных минералов. Продукт обогащения сиенита называют полевошпатовым концентратом и используют в технологии керамики и стекла.

Сульфатное сырье

Гипс и ангидрит являются сырьем для производства гипсовых вяжущих, а также как добавка к цементу. Применяется природный двуводный гипс (гипсовый камень) CaSO4. Гипсовый камень достаточно распространен в природе. Он содержит примеси известняка, доломита, глинистых веществ.

Для производства вяжущих материалов гипсовый камень должен содержать CaSO4·2H2O:

1 сорт – не менее 95%;

2 сорт – 90%;

3 сорт – 80%;

4 сорт – 70%.

Ангидрит (CaSO4). Этот минерал отличается от гипса отсутствием воды. Ангидрит до настоящего времени находит лишь ограниченное применение для производства эстрих-гипса и ангидритового цемента.

39

Сульфат натрия в природе встречается в виде минералов тенардита Na2SO4 и глауберовой соли (Na2SO4·10H2O). Источником этих пород являются соленые озера. Используют из в стекольном производстве и для изготовления жидкого стекла.

Синтетическое сырье

К такому следует отнести различные продукты, полученные путем переработки природного сырья и поступающие на силикатные заводы в готовом виде, либо вещества, синтезируемые специально и используемые в дальнейшем в технологии ТНСМ.

Первая группа включает многочисленные химические соединения, используемые в особенности в стекольной технологии – это кальцинированная сода, борная кислота, бура, поташ и т.д.

Вторая группа получила наиболее широкое распространение при изготовлении технической керамики – особо чистые оксиды, карбиды, нитриды, силициды различных элементов.

Техногенное сырье

Техногенное сырье – это побочные продукты других отраслей промышленности: химической, энергетики, металлургии и др. Они используются в составе стекольных, керамических и цементных сырьевых шихт, а также как добавка к вяжущим материалам. Особенно в больших масштабах в технологии ТНСМ используются отходы черной металлургии.

Производство и виды шлаков В металлургической промышленности шлак – это многокомпонентный

неметаллический расплав, покрывающий поверхность жидкого металла в ходе металлургических процессов: плавки сырья, обработки расплавленных промежуточных продуктов и рафинирования жидких расплавов. После завершения металлургических процессов шлак представляет собой затвердевшее камнеили стекловидное вещество – сплав оксидов переменного состава.

Шлаки в металлургическом производстве образуются в процессе восстановления руды и извлечения из нее пустой породы, коксовой золы и флюсов при их химическом взаимодействии с карбонатными породами.

Основные компоненты шлака: кислотные оксиды SiO2 и TiO2, основные оксиды CaO, FeO, MgO, а также нейтральные оксиды Al2O3, ZnO. В зависимости от преобладания тех или других оксидов, шлаки разделяются на основные и кислые.

Шлаки черной металлургии: доменные и сталелитейные Наибольший интерес для строительной отрасли представляют

доменные шлаки, получаемые в процессе производства чугуна:

40