В связи с этим одной из важнейших задач исследований являлось изучение свойств местных глин, что дало бы возможность выбора оптимального вида глины для производства керамических изделий.

В данной работе исследовались глины месторождений Пензенской области (Иссинская, Лягушевская, Долгоруковская, Нижнеломовская), а также для сравнения Новочебоксарская глина, химический состав которых приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав глин

Химический состав глин является важной характеристикой для предварительной оценки пригодности глинистого сырья для производства керамических и огнеупорных изделий. В.Ф. Павлов [1] основываясь на результатах исследований А.И. Августиника [1] предложил диаграмму для определения пригодности глин в производстве тех или иных видов керамической продукции (рис. 1).

Рисунок 1 –  Глины, пригодные для производства [1]:

1 – огнеупорных шамотных изделий; 2 – для полов, канализационных  труб, кислотоупорных изделий и каменного товара; 3 – строительного кирпича (по А.И. Августинику [2]. Легкоплавкие глины: I – первая группа; II – вторая группа; III – третья группа (по В.Ф. Павлову)

Исследуемые глины: А-Иссинская глина; Б-Долгоруковская глина;

С-Нижнеломовская глина; Д-Лягушевская глина; Е-Новочебоксарская глина

Нанесение на диаграмму исследуемых легкоплавких глин (точки 1-5, рис. 1) указывает на их непригодность для изготовления огнеупорных изделий в связи с низким содержанием оксида алюминия. Две глины, вообще, являются некондиционными, неспекающимися и не входят даже в область 3 для кирпичных глин. Наиболее близко к области глин для керамических труб, кислотоупорных изделий расположена Иссинская глина, что характеризует ее как наиболее пригодную для изготовления высококачественных керамических изделий.

Минералогический состав глин зависит от их минералогического вида. В основном встречаются три типа глин: каолинитовые, гидрослюдистые и монтмориллонитовые. Известны также глины промежуточных типов. Каолинитовые глины содержат преимущественно минерал каолинит Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, гидрогаллуазит Al₂O₃·2SiO₂·H₂O, гидрослюдистые глины – иллит и гидрослюду, глауконитовые – минерал глауконит, монтмориллонитовые – Na, Ca или Mg – монтмориллонит. Кроме основного глинообразующего минерала в состав глин могут входить кварц, кальцит, слюды, пирит, полевой шпат и другие минералы.

Полученные данные (рис. 1) дают возможность охарактеризовать минералогический состав Иссинской глины и отнести ее к преимущественно каолинито-гидрослюдистым глинам с возможным незначительным содержанием монтмориллонита и хлорита, Нижнеломовскую глину к преимущественно каолинито-монтмориллонитовым глинам, а Новочебоксарскую – к группе закварцованных и карбонизированных полиминеральных глин. Долгоруковская глина наиболее близко расположена к 3 группе глин – закварцованным и карбонизированным полиминеральным глинам. Лягушевскую глину можно отнести к группе каолинито-монтмориллонитовых глин.

Существенное значение при изготовлении керамических изделий имеет гранулометрический (зерновой) состав глин.

Наиболее ценными для производства керамических материалов считаются тонкие глинистые фракции с зернами размером менее 5 мкм (<0,005 мм). Кроме того, в глинах содержатся пылевидные фракции с зернами размером от 5 до 50 мкм (от 0,005 до0,05 мм) и песчаные – от 50 мкм до1 мми более.

Согласно данным, полученным в результате определения гранулометрического состава по Рутковскому (табл. 2), большинство исследуемых глин сильно запесочены (Нижнеломовская, Лягушевская, Новочебоксарская). Количество глинистых частиц в глинах составляет от 9,06% (Лягушевская глина) до 22,67% (Иссинская глина). Это позволяют отнести данное глинистое сырье к грубодисперсному (фр. менее0,01 мм< 40% и фр. менее0,001 мм< 20%). Запесоченность глин для производства керамических изделий крайне нежелательна, так как при высоких температурах возможны фазовые превращения кремнезема, приводящие к сильным деформациям изделий. Согласно классификации легкоплавких глин в зависимости от содержания в породе глинистых, песчаных и пылеватых частиц  все виды используемых глин относятся к группе суглинков [1]. Наиболее пригодной для изготовления высококачественных керамических изделий можно считать Иссинскую глину.

Таблица 2 – Гранулометрический состав глин

Исследуемые глины по степени пластичности относятся к умереннопластичным (число пластичности по классификации от 7 до 15). Максимальное значение пластичности имеет Иссинская глина, минимальное – Нижнеломовская (табл. 3). Эти результаты обусловлены в первую очередь низким содержанием в глине глинистых частиц (9,06-22,67%, по методу Рутковского) и высоким содержанием песка (от 30 до 65%, по методу Рутковского).

Таблица 3 – Значения пластичности исследуемых глин

Таким образом, с позиции оптимального химического, минералогического и гранулометрического состава наилучшими характеристиками обладает Иссинская глина.

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.

Целью данной  работы было исследование влияния глинистого сырья Пензенского месторождения на  свойства керамического кирпича. От правильности отбора средней пробы в значительной мере  зависит точность оценки качества глинистого сырья. Отбор средней пробы для  физико-механических и керамических исследований производили квартованием [1].  Для этого глину расстилали тонким слоем на площади в 1 м², крупные  комья разбивали деревянным молотком, после чего глину делили двумя диагоналями  на четыре равных треугольника. Отбирали пробу из двух противоположных  треугольников, тщательно перемешивали, расстилали тонким слоем и снова делили
диагоналями на четыре треугольника. Операцию квартования повторяли несколько  раз до получения средней пробы сырья в количестве, требуемом для  физико-механических исследования. Оставшаяся глина считалась также усредненной.

В  данной работе использованы следующие виды глин: Блиновская и Махалинская. Махалинское  месторождение (участок разведки 1971-1975гг.) расположено в кузнецком районе,
на юго-восточной окраине с. Махалино. Ближайшая железнодорожная станция Сюзюм  находится в 6 км  севернее с. Махалино. Пути сообщения – асфальтированное шоссе. Разведано в  1971-1975 гг. Куйбышевской ГРЭ НВ ТГУ. Блиновское  месторождение расположено на окраине села Блиновка Пензенской области.

Минеральный  состав глин Пензенской области проводили на дифрактометре D8Advance фирмы Bruker,  ДРОН4-07 г Казань.

Минералогический  состав приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Минеральный состав глин Пензенской области

Для макроскопического описания глинистого сырья было  представлено 3 пробы, отобранных из разной глубины участка карьера. Все пробы  смешивали перелопачиванием, и из усредненной пробы отбирали среднюю пробу для  макроскопического осмотра и оценки структуры и текстуры. Макроскопическая  оценка производилась на основании осмотра образцов средней пробы глины с  помощью лупы. Цвет глины в сухом состоянии для каждой пробы глин различный  (табл. 2).

Таблица 2 – Макроскопическое описание глинистого  сырья

Глина Блиновского месторождения скважин 1 и 3 имеет такой  же цвет как и Махалинская глина – бурый.

Исследование глин на наличие в них известняковых включений  при воздействии на влажную глину 10 %-ого раствора соляной кислоты показал, что  глины содержат небольшое количество тонкораспределенного карбоната кальция, что  подтверждается незначительным выделением углекислого газа во время реакции  (табл. 2).

Блиновская глина: запесоченное сырье скважины №1 – с  высоким и средним содержанием крупных включений, а скважина №3 – с низким  содержанием (менее 1 %). Включения в основном в виде кварца и каменистых,  карбонатных.

По засоренности природными включениями (менее 1%) сырье  Махалинского месторождения относится к группе с мелкими кварцевыми,  карбонатными и железистыми разностями.

Далее определялось содержание песчаных частиц. Результаты  анализа представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Определение гранулометрического состава глин по Рутковскому

Данные анализа гранулометрического состава нанесли на  тройную диаграмму Охотина, по области которой установлено, что исследуемая  глина относится к среднему суглинку.

По гранулометрическому составу Блиновская глина по  количеству песчаных, глинистых и пылеватых частиц в пробе скважины №1 по  диаграмме Охотина относится к суглинку (количество песчаных фракций – 33 %,  пылеватых – 53,7 %, глинистых – 13,6 %); глина скважины №3 относится к глине  (количество песчаных фракций – 0,5 %, пылеватых – 1 %, глинистых –  98,5 %).

По диаграмме Охотина Махалинская глина относится к глинам  (песчаные фракции – 0,58 %, пылеватые – 1 %, глинистых – 98,42 %.).

Определение пластичности глинистого сырья определялось в  соответствии с [2] по разности между верхним и  нижним пределами пластичного глиняного состояния, оцениваемых влажностью.

Результаты определения  пластичности глин показан в таблице 4.

Таблица 4 – Основные показатели для определения  пластичности  глин Пензенских  месторождений

Испытания по определению пластичности глинистого сырья по  числу пластичности, показали (табл. 4), что все исследуемые глины по числу  пластичности 10,4, 11,3, 13,5 и 9,3 относятся к умереннопластичным глинам.

Следующий этап работы был посвящен исследованию связующей  способности глинистого сырья, которая выражается пределом прочности при сжатии  образцов, отформованных пластическим способом в виде кубиков и высушенных в  сушильном шкафу при температуре 105°С.

Для определения связующей способности из теста нормальной  влажности пластическим способом формовали кубики размерами 50×50×50 мм и высушивали при нормальных
комнатных условиях с досушкой в сушильном шкафу при температуре 105–110°С.  Затем кубики испытывали на лабораторном гидравлическом прессе. Данные по испытанию по определению связующей  способности глин приведены в таблице 5.

Оптимальные значения для R_сж=45 – 50 кгс/см², для  R_рас=16 – 19 кгс/см² для  керамических изделий.

Таблица 5 – Определение связующей способности глинистого  сырья

Результаты испытания показали,  что связующая способность глинистого сырья на глинах Блиновского (скважина №1,  3), Махалинского месторождения месторождений составляет 4,5 МПа, 5,8 МПа и 3,8  МПа, соответственно (таблица 5). За результат испытания приняли среднее  значение результатов испытания по прочности пяти образцов-кубов.

Дальнейшие исследования было  посвящены определению чувствительности глин к сушке по методу Чихского А.Ф.

Результаты по  определению чувствительности глин к сушке по методу Чижского А.Ф. приведены в  таблице 6.

Таблица 6 – Определение  чувствительности глин к сушке по методу Чижского А.Ф.

Следующий этап работы был посвящен определению воздушной усадки образцов из глин Пензенского месторождения.

Воздушную  линейную усадку определяли  по изменениям линейных  размеров образцов из глины после сушки. Определение усадки производили на плиточках размером 50x50x5 мм при пластической формовке. Для производства замера на отформованных образцах  по двум диагоналям нанесли  метки. Результаты  испытаний занесены в таблицу 7.

Таблица 7 – Определение линейной усадки

Результаты эксперимента показали (табл. 7), что значение  линейной усадки после сушки при температуре 105ºС у глин Блиновского  месторождения скв №1 (6,2 и 7,3 %) и у Махалинской глины (7,8 %),  соответственно.

Огнеупорность  материала соответствует температуре, при которой вершина испытуемого образца,  опускаясь, коснется подставки. Согласно классификации глинистого сырья (табл. 8)
делают вывод об огнеупорности.

Таблица 8 – Классификация  глинистого сырья по огнеупорности [3]

Все исследуемые  нами глины Пензенской области являются легкоплавкими, что полностью  удовлетворяет требованиям ГОСТ по глинам для производства керамического
кирпича.

Определение спекаемости глин Пензенского месторождения  проводили на плиточках 50×50×5 мм, обожженных  при заданных температурах. Насыщение водой происходило в течение 48 ч при уровне воды выше верха  образцов не менее чем на 2 см. Образцы,  насыщенные водой, перед взвешиванием обтирали влажной тканью.

Водопоглощение вычисляли как среднее арифметическое  значение результатов определений для трех образцов. Результаты определения  спекаемости глин Пензенской области приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Определение спекаемости глин

Как видно из результатов испытаний глин на спекаемость  (табл. 9), все глины по степени спекания относятся к неспекающимся.

Таким образом, проведенные исследования на технологические  свойства показали, что все исследуемые глины могут быть использованы при  производстве керамических стеновых материалов.