книги / Производство керамзита

чие в их структуре определенных, возникающих еще до начала образования высокотемпературных фаз (700— 800°С) предопределяют течение реакций в твердой фа­ зе и образование того или другого силиката.

Отдельные члены индивидуальных минералов монтмориллонитовой группы, особенно с промежуточным ха­ рактером замещений, еще недостаточно изучены, другие не выявлены, а существование некоторых из них, на­ пример бейделлита, подвергается сомнению.

При нагревании минералов группы монтмориллонита со скоростью 8—10 град/мин в интервале 50—300 °С меж­ слоевая вода удаляется. Потеря химически связанной воды происходит постепенно в широком интервале тем­ ператур (от 200 до 800°С и выше), в зависимости от характера и степени изоморфного замещения одних ато­ мов другими в кристаллической решетке монтморилло­ нита.

На дифференциальных кривых нагревания минералов группы монтмориллонита помимо двух эндотермиче­ ских эффектов — при температурах удаления межслое­ вой и химически связанной воды — наблюдается третий эндотермический эффект в температурном интервале примерно 800—1100 °С. Почти все исследователи объяс­ няют его разрушением кристаллической решетки. Неко­ торые, однако, считают, что указанный эндотермический эффект обусловливается удалением последних остатков (около 0,5—1 %) тесно связанной с решеткой конститу­ ционной воды, с чем мы полностью согласны. Именно эта часть конституционной воды и участвует во вспучи­ вании как парогазообразная фаза. На рис. 3 приведены термограммы монтмориллонитовых пород различных ме­ сторождений.

В пределах температур обжига керамзита в различ­ ной степени развиваются высокотемпературные фазы: шпинель, муллит и кристобалит.

Легкоплавкие глины со значительным содержанием некоторых минералов группы монтмориллонита отлича­ ются большой склонностью к вспучиванию и являются лучшим сырьем для производства керамзита.

Группа гидрослюд или иллита. Гидрослюдистые мине­ ралы, подобно слюдам и монтмориллонитам, имеют трехслойный тип слоев структуры и занимают промежу­ точное положение между ними. По сравнению со слюда­ ми они содержат меньше воды и больше калия, харак-

ный с удалением адсорбционной и межслоевой воды. Ос­

новная часть конституционной воды удаляется при 500— 700 °С. Эндотермический эффект в пределах 1000—1200°С чаще всего объясняют разрушением кристаллической ре­ шетки, но возможно он связан с удалением и части кон­ ституционной воды. Кривые обезвоживания гидромуско­ вита при нагревании со скоростью 12—15 град/мин при­ ведены на рис. 5.

Гидробиотит K<i (Mg, Fe)3 [SiAl4Oio] (0 H)2-nH20 по своему составу и свойствам занимает промежуточное положение между хорошо окристаллизованным биоти­ том и вермикулитом. Характерным свойством последних является вспучивание при быстром нагревании. Это свойство, однако, уменьшается, или совсем исчезает при медленном нагревании или измельчении материала в по­ рошок. На дифференциальных кривых нагревания гид­ робиотита отмечаются три низкотемпературных эндотер­ мических эффекта (при температурах около 150, 220 и 300 °С), связанных с его дегидратацией. Основная часть конституционной воды удаляется в пределах 800 °С— 1000 °С и выше (рис. 6 ). Кристаллическая решетка гид­ робиотита разрушается при 1000—1100°С с удалением последних остатков конституционной воды.

Глауконит Ko,67Na0,o8 *Са0,04 (Fe J+5Mg0>4iAl0>4• F e ^ )

X [Si3fieА1о,з4 0 Io] (0H )2*ttH20 характеризуется наиболее совершенной трехмерной структурой из неразбухающих слоев со значительным замещением А13+ на Fe2+ и Mg2+. В отличие от других гидрослюд частицы глауко­ нита имеют удлиненно-пластинчатую форму. Его содер­ жание в глинах велико, иногда он является породообра­ зующим минералом. Некоторые исследователи, напри­ мер, относят ленинградские кембрийские синие глины к глауконитовым.

Высокотемпературными фазами гидрослюд в преде­ лах температуры обжига глин на керамзит является шпинель, образующаяся уже при 850 °С, и муллит, появ­ ляющийся при 1100 °С. Возможны и другие-новообразо­ вания. Тот факт, что глинистые минералы гидрослюд даже при относительно замедленном нагревании выделя­ ют остатки химически связанной воды при 1000—1100 °С, указывает на безусловную вероятность участия в процес­ се вспучивания конституционной воды глинистых минера­ лов как катализатора реакции и порообразующего агента.

Рис. 5. Изменение массы гид­ ромусковитов при равномер­ ном нагревании

Рис. 6. Термограммы минера­ лов вермикулита и гидробио­ тита

1 , 2 — вермикулит; 3 — гидробнотит (вермикулит и биотит); 4 — фло-

Как показали специальные исследования, гидрослюдные глинистые минералы, так же как монтмориллонитовые их смеси, важнейшая составная часть хорошо вспу­ чивающегося глинистого сырья.

Структура вермикулита (OH)4(Mg, Са) (Sie-2* : : Aho*) (Mg, Fe)6O20-t/H2O (где x равен 1—1,4, а уж 8 ) характеризуется чередованием слюдоподобных слоев и двойных слоев воды. По внешнему виду он подобен гид­ робиотиту. Характерное свойство вермикулита — интен­ сивное вспучивание при быстром нагревании. Однако при измельчении вермикулита 'это свойство утрачивается или значительно ослабляется, как у гидробиотита. При нагревании вермикулит имеет двойной или тройной низ­ котемпературные эффекты при дегидратации при темпера­

сколько выше 1000°С (рис. 6 ). Вермикулит обнаружен в тонких фракциях ряда глин. Его положительное влия­ ние на вспучиваемость глинистого сырья бесспорно.

Группа хлорита. Лишь сравнительно недавно обна­ ружено, что некоторые разновидности легкоплавких гли­ нистых пород содержат значительные количества хлори­ товых глинистых минералов в тонкодисперсном состоя-

.нии. Однако еще неясно, являются ли они гидрохлори­ тами по аналогии с гидрослюдами «ли обычными гидро­ силикатами магния и алюминия с примесью железа, xipoMa или марганца.

Структура хлоритов состоит из чередующихся слюдо­ подобных (OH)4(SiAl)8(Mg, Fe)eH20 и бруситоподобных (Mg, А1)б(ОН)12 слоев. В связи с замещением Si44на А13+ слюдоподобный слой имеет отрицательный за­ ряд, который уравновешивается положительным заря­ дом бруситового слоя (вследствие замещения Mg2+ на А13+). Минералы этой группы различаются типом и коли­ чеством замещений в бруситовом и слюдяном слоях.

При относительно медленном нагревании до 500 °С минералы хлоритовой группы теряют сравнительно мало воды. В пределах 500—550 °С высвобождается большое количество воды. Обезвоживание в основном заканчи­ вается при 850—900 °С, однако последние остатки воды выделяются при температуре несколько выше 1000 °С.

Группа сепиолит-палыгорскит-аттапульгитовых мине­ ралов. Глинистые минералы этой группы изучены слабо.

Некоторые авторы для сепиолита (водного силиката маг­ ния) предложили формулу Si4On-(MgH2)3*2 (H20 ), предполагая, что магний в значительной степени может быть замещен железом и алюминием.

О структуре палыгорскит-аттапульгита можно су­ дить по формуле (0 H2)4(0 H)2Mg5Si802*4H20 , где трех­ валентные катионы считаются эквивалентными 1,5 Mg2+.

Текстура сепиолита волокнисто-пластинчатая, твер­ дость 2—2,5; цвет — от белого до желтого. По внешне­ му виду — землист, напоминает глину. При нагревании теряет воду в несколько этапов: быстро при 25—120 °С, медленно — при 120—230 °С, снова быстро — при 230— 375—550 °С, медленно при 550—720 °С и, наконец, при 720—1000°С удаляются последние 2,5—2% воды. Кри­ вые нагревания этого минерала обнаруживают четыре эндотермических эффекта при температурах примерно 150, 350, 500 и 800 °С, связанных с удалением воды, и один экзотермический эффект (между 800 и 1000° С), обусловленный, по-видимому, разрушением кристалличе­ ской решетки (рис. 7).

В группу каолинита входят каолинит, диккит и накрит с общей формулой Al20 3 *2 Si0 2 -2H20 (рис. 8).

Легкоплавкие глины содержат незначительное коли­ чество каолинита наряду с монтмориллонитом, гидро­ слюдой или другими глинистыми минералами. В этом случае он не оказывает заметного отрицательного влия­ ния на вспучиваемость. Если же в глинистом сырье као­ линит преобладает, оно не пригодно для производства ке­ рамзита, так как обычно такое сырье обладает высокой температурой размягчения и его использование нерен­ табельно. Кроме того, вспучиваемость такого сырья зна­ чительно слабее, чем других разновидностей глинистых пород (рис. 9).

Среди примесей легкоплавких глинистых пород наи­ более важное значение имеют следующие группы мине­ ралов.

Кварц Si02 встречается в глинистых породах, глав­ ным образом в форме а-кварца, являясь основной частью песчаных и пылевидных фракций породы. Прослежива­ ется определенная обратная связь между содержанием свободного кварца и способностью глины к вспучиванию; глины с содержанием свободного кварца выше 42 % не удается удовлетворительно вспучить даже в лаборатор­ ных условиях. В этом случае не дает желаемых резуль-

Мнит ельност ь наередания, мм

Линейная усадка при оджиге,% '

Рис. 9. Кривые изменения массы каолинита при равномерном на­ гревании (по Г. В. Кукалеву)

/ — плотность; 2 — растворимость Si02; 3 — растворимость AI2 O3 ; 4 линей­ ная усадка; 5 — потеря Н20

татов даже введение добавок, повышающих вспучиваемость глины. Поэтому наряду с валовым химическим анализом при испытании глин для производства керам­ зита в них следует отдельно определять содержание сво­ бодного кварца.

В легкоплавких глинистых породах почти постоян­ ные примеси — слюды в форме мусковита КА12[AlSi3Oi0] ОН2 или биотита K(Mg, Fe)3(Si3AlOi0) (ОН, F)2. Их со-

Рис. 7. Термограммы минералов сепиолита и палыгорскита

держание достигает 2—5 % и выше. Размер частиц слю­ ды колеблется в пределах 1— 10 мк. При обжиге слю­ ды участвуют в образовании расплава оптимальной вяз­ кости и являются поэтому полезной примесью. Особая положительная роль мелкодисперсных частиц слюд со­ стоит в том, что они, разлагаясь при 1000—1200 °С, выс­ вобождают конституционную воду, которая в качестве парообразной фазы вспучивает размягченную пиропластическую массу (см. рис. 3).

В глинистых породах железо находится преимущест­ венно в форме различных железистых минералов. Не­ редко оно рассеяно также в кристаллических решетках других минералов, замещая алюминий, магний и др. В зависимости от преобладающей валентности катионов железа, образующих с другими катионами и анионами кристаллическую решетку минералов, различают оксид­ ные, закисные и закись-оксидные соединения железа.

К оксидным соединениям железа относятся: гематит, гидраты оксида железа (гетит, лепидокрокит, гидрогетйт, гедрогематит), к закисным — сидерит, анкерит, ша­ мозит, вивианит, пирит, марказит и др. В некоторых сое­ динениях, например в магнетите и глауконите, железо находится в закись-оксидной форме. Обычно в каждой легкоплавкой глинистой породе встречается ряд железо­ содержащих минералов. Нередко даже в одной пробе сырья можно обнаружить не только несколько соедине­ ний железа, но и соединения его разной степени окисле­ ния. Общее количество железа в легкоплавких глинистых породах (при пересчете на Fe20 3) обычно колеблется от

4,9—5,3 г/см3, кристаллическая решетка ромбоэдриче­ ская, цвет от серо-стального в кристаллах до ярко-крас­ ного в землисто-аморфных разностях, образуется в окис­ лительной среде, распространен в самых различных ти­ пах глинистых пород; во влажной среде легко гидратиру­ ется и переходит в гидрогематит. Магнетит Fe30 4 — плотность 5,17—5,18 г/см3, структура типа шпинели, об­ ладает магнитными свойствами, цвет от серо-стального до черного. Во влажных, условиях легко выветривается, давая бурые гидроксиды. Образуется в восстановитель­ ных условиях и имеет самое различное происхождение; новообразования магнетита могут возникать из оксид­