В качестве сырья для производства керамических изделий используются глины. С учетом широкой номенклатуры керамических изделий особое внимание уделяется качеству глин с позиций химического и минералогического состава [1, 2]. Например, для производства жаростойких керамических изделий широкое применение получили огнеупорные глины с повышенным содержанием Al₂O₃ (t_пл>1580^оС).

При сушке и обжиге керамических изделий происходит воздушная и огневая усадка с более глубокими химическими и физическими процессами, которые обуславливают образование и соотношение новых фаз, размер, форму и взаимное расположение структурных элементов, изменение массы и объема керамического тела [3].

Знание показателей воздушной и огневой усадки керамических масс на основе изучаемых глин позволяет оценить поведение их в процессе сушки: появление трещин, коробление и наличие других негативных эффектов.

Результаты определения воздушной и огневой усадки глин месторождений Пензенской области приведены в табл. 1 и на рис. 1.

Традиционно считается, что для глинистых материалов значение воздушной усадки обычно равно 6-10%. Сильно запесоченные глины имеют более низкие значения воздушной усадки. Согласно полученным результатам, исследуемые глины по классификации относятся к мало- и непластичным глинам, так как числовые значения их воздушной усадки ниже 6% (табл. 1).

 Таблица 1 – Основные свойства используемых глин

Минимальными значениями линейной воздушной усадки обладает глина Нижнеломовского месторождения (1,71%), что объясняется высоким содержанием песчанистых частиц (65%, по методу Рутковского). У остальных изученных глин линейная воздушная усадка находится в пределах 4,4-5,85%. Максимальные показатели линейной воздушной усадки были получены на образцах из Долгоруковской глины (L=5,85%). Объемная воздушная усадка исследуемых глин находится в пределах 5,42-16,54%.

Огневую усадку определяют на тех же образцах, которые использовали для определения воздушной усадки. Высушенные образцы из легкоплавких глин (исследуемые глины относятся именно к легкоплавким) были подвергнуты обжигу при температурах 900-1150°С с интервалом температур 50°С. Скорость подъема температуры – 3°С/мин. Выдерживание образцов при конечной температуре 30 мин. Результаты огневой усадки представлены на рис. 1.

Верхний предел температуры обжига устанавливали по достижению пережога (вспучивание и деформация образцов, остекловывание поверхности).

Рис. 1 – Показатели линейной огневой усадки (а), объемной огневой усадки (б) и полной усадки (в) исследуемых глин.

1-Долгоруковская глина; 2-Иссинская глина; 3-Нижнеломовская глина; 4-Новочебоксарская глина; 5-Лягушевская глина

Характер изменения огневой усадки в зависимости от температуры обжига дает возможность судить о спекаемости глинистого сырья. Поэтому определение огневой усадки обычно совмещают с оценкой спекаемости глинистых масс.

Линейная огневая усадка испытываемых глин возрастает в пределах от 0,2 до 7% в зависимости от вида глины в температурном интервале от 900°С до 1100°С. Долгоруковская глина обладает самыми высокими показателями линейной и объемной огневой усадок (6,53 и 18,34% соответственно) при максимальной температуре обжига 1100°С. Иссинская глина имеет средние значения усадок: 5,39% – линейная огневая усадка и 15,13% – объемная огневая усадка. Увеличение усадки для Нижнеломовской и Новочебоксарской глин происходит лишь до достижения температуры обжига 1000°С. При более высоких температурах происходит увеличение размеров образцов, что, вероятно, связано с определенным соотношением и составом железистых и магнезиальных примесей, а также повышением количества пылевидного кварца. Образцы увеличиваются в размерах и деформируются.

Лягушевская глина при t=1100°С обладает самыми низкими показателями линейной и объемной огневой усадок (3,65% и 10,55% соответственно).

Обжиг при температуре 1150°С не проводился, так как уже при 1100°С часть образов, независимо от вида глины, деформировалась, что привело к невозможности качественного замера показателей усадки, полученных в результате эксперимента.

Для глин, не подверженных при более высокой температуре пиропластическому деформированию и увеличению размеров (Лягушевская, Иссинская и Долгоруковская глина), значения полной линейной усадки (воздушная + огневая усадки) до температуры 1000°С находятся в пределах 4-10%. Для Новочебоксарской и Нижнеломовской глин, испытывающих при температуре свыше 1000°С пиропластическое вспучивание, полная усадка при достижении этой температуры составляет 2-6,5% (рис. 1, б).

Таким образом, критерием пригодности глин для изготовления керамических изделий можно считать отсутствие пиропластического вспучивания при температурах до 1100°С и по этому показателю пригодными признаны Иссинская, Лягушевская и Долгоруковская глины.

Самый важный процесс при обжиге – спекание материала, в результате которого изделия обычно уплотняются и упрочняются. Чаще всего процесс спекания оценивают по изменению плотности обжигаемого материала: спекшимися считают материалы, достигшие в процессе обжига минимального водопоглощения (открытой пористости).

Испытания глинистых и керамических масс для определения интервалов спекания и спекшегося состояния позволяют установить оптимальную температуру обжига, оценить различные виды глин с точки зрения пригодности их для производства того или иного вида керамических изделий.

По степени спекания глины делят на три группы: сильноспекающиеся (водопоглощение спекшихся образцов не более 2%), среднеспекающиеся (водопоглощение 2-5%) и неспекающиеся.

Согласно данным, полученным в результате эксперимента, исследуемые глины относятся к классу неспекающихся. Массовое водопоглощение обожженных образцов находится в пределах 7-25% в зависимости от вида глины (рис. 2, б). Наиболее близки по значениям водопоглощения к 5% Долгоруковская, Новочебоксарская и Нижнеломовская глины. Водопоглощение обожженных при 1100°С образцов, изготовленных из этих глин, находится в пределах от 7,5 до 10%. Увеличение температуры обжига глин приводит к заметному увеличению плотности образцов из Иссинской и Лягушевской глин, причем наиболее резкий рост плотности наблюдается у Иссинской глины при температуре выше 1050°С. Соответственно, с повышением плотности снижается и водопоглощение.

Рисунок 2 – Показатели плотности (а), массового водопоглощения (б) и кажущейся пористости (в) исследуемых глин.

1-Долгоруковская глина; 2-Иссинская глина; 3-Нижнеломовская глина; 4-Новочебоксарская глина; 5-Лягушевская глина

Обожженные глиняные образцы, кроме открытых пор, содержат также некоторое количество закрытых пор. Согласно расчетам, закрытая пористость обожженных глиняных образцов находится в пределах 1,5-4,6%.

Увеличение плотности обжигаемого материала тесно связано с объемными изменениями в образце, а именно с уменьшением его линейных размеров. Поэтому кривые усадки невспучивающейся керамики (рис. 1,а, кривые 1, 2, 5) адекватны кривым водопоглощения (рис 2, б) в зависимости от температуры обжига керамики.

Анализ всех исследованных глин Пензенских месторождений показал, что максимально пригодной для изготовления керамических изделий можно считать Иссинскую глину, обладающую лучшими свойствами по сравнению с другими глинами.

1. Августиник, А.И. Керамика [Текст] / А.И. Августиник.- Л.: Стройиздат, 1975. – 592 с. ил.
2. Слепова И.Э., Тарасов Р.В., Макарова Л.В. Оценка возможности использования глин месторождений Пензенской области для производства керамической продукции // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/08/37211 (дата обращения: 20.08.2014).
3. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига строительной керамики. М., Стройиздат, 1977, 240 с., ил.

Все статьи автора «Макарова Людмила Викторовна»