Макро- и микроскопическое описание глинистого сырья
Общие сведения. Среди основных видов сырья, используемого в производстве изделий строительной и бытовой керамики, 2/3 общего объема составляют глины, являющиеся основным, а иногда и единственным компонентом при производстве ряда изделий. К глинам относятся осадочные породы, отличающиеся разнообразием состава, обязательным присутствием глинистых минералов, дисперсностью (преимущественным содержанием фракций менее 10 мкм) и способные при затворении водой образовывать пластичное тесто.
По происхождению различают глины остаточные (первичные), образовавшиеся в результате накопления глинистых продуктов коры выветривания, и переотложенные (вторичные), образовавшиеся вследствие размыва и отложения в другом месте продуктов выветривания остаточных месторождений. Гранулометрический состав остаточных глин, как правило, варьируется от тонкодисперсных в верхней части залежи до грубодисперсных в нижней. При выветривании основных пород (содержащих 40–55% SiO2, здесь и далее по тексту массовое содержание) возникают преимущественно монтмориллонитовые глины, средних и кислых (при содержании SiO2 55–60 и 65–75%соответственно) – каолинитовые и гидрослюдистые глины. Осадочные глины образуются в результате переноса и переотложения продуктов коры выветривания. Среди глин, которые нашли широкое применение в производстве керамики, преобладают каолинитовые, каолинито–гидрослюдистые, а также глины, содержащие то или иное количество монтмориллонита и полиминеральных образований.
Макроскопическую характеристику составляют на основании осмотра валовой пробы глины с помощью лупы или невооруженным глазом (рис. 1). При этом отмечают следующие данные: цвет и оттенок (в сухом и влажном состоянии), структуру, текстуру, наличие известняка и его распределение (вскипание от воздействия 10%-ной НСl), содержание других примесей (слюды, кварца, гипса, пирита, органических включений).
Цвет. Окраска глин разнообразна и меняется в зависимости от минерального состава основной массы глин, так называемого глинистого вещества, и присутствия в ней красящих компонентов. Примеси ряда соединений даже в незначительном количестве вызывают изменение основного цвета глины. Окрашивающими являются тонкодисперсные гидрооксиды и оксиды железа, органические вещества и реже оксиды титана и марганца. Гидрооксиды и оксиды железа окрашивают глины в различные оттенки желтого, красного и фиолетового цветов, оксиды титана – в серый и оксиды марганца – в черный и бурый цвета. Часто встречаются глины неоднородной окраски – пятнистые, что обусловливается неравномерным распределением в массе глины красящих компонентов.
Структура и текстура глин. По структуре различают глины тонкодисперсные, крупнодисперсные, алевролитовые, песчаные и разнозернистые.
Тонкодисперсные глины, состоящие в основном из частиц менее 0,001 мм, при скатывании из массы в состоянии формовочной влажности (глина, затворенная водой, не липнет к рукам и металлу), образует без разрыва сплошности длинные шнуры толщиной менее 0,5 см. При раскатывании влажной глины в руках отдельные частицы ее не ощущаются, а при разрезании ножом не слышно характерного хруста и на месте разреза получается гладкая поверхность. При рассмотрении в лупу глина имеет однородную массу; излом – чешуйчатый или очень ровный, для уплотненных глин – иногда раковистый.
Крупнодисперсные глины при скатывании дают более толстые и короткие шнуры. При растирании влажной глины в руках, а также разрезании ножом чувствуется примесь частиц более крупных, чем глинистые (говорят, что «глина хрустит»). В лупу иногда видны отдельные мелкие зерна минеральных примесей. Излом породы слабошероховатый.
Алевролитовые глины при скатывании во влажном состоянии дают короткие шнуры. При разрезании ножом глина сильно хрустит. В лупу видны отдельные крупные частицы минералов, которые можно легко отделить, если на ладони слегка отмыть глину, удалив глинистые и пылевые частицы. Излом породы неровный, шероховатый.
Песчаные глины дают при скатывании еще более короткие и толстые, быстро рвущиеся шнуры. Четко ощущается присутствие частиц более 0,01 мм. Излом породы неровный, зернистый.
Текстура глинистых пород бывает трех основных типов: беспорядочная (неориентированная) – комковатая, плотная; микрослоистая (ориентированная); флюидальная (спутанная) – типа сланцевой.
При беспорядочной текстуре частицы расположены без какой-либо ориентировки. Эта текстура характерна для грубозернистых и реже тонкозернистых пород. Она может быть рыхлой, комковатой и т. п. При микрослоистой текстуречастицы породы располагаются ориентированно, как бы слоями. По характеру и расположению слоев различают текстуры горизонтально-слоистые, косослоистые, линзовидно-слоистые и сложные, определяемые сочетанием трех первых разновидностей слоистой текстуры. Флюидальная текстуравстречается редко и представляет результат вторичного нарушения слоистой текстуры.
Примеси и включения. Минеральные примеси и включения обычно определяют визуально. Наиболее распространены в глинах, особенно низкого качества, карбонаты кальция и магния. В глине карбонаты встречаются в тонкодисперсном состоянии или в виде грубых включений. Тонкодисперсные карбонаты безвредны. Грубые включения карбонатов (более 0,5 мм – «дутики») приводят к образованию в процессе обжига зерен СаО, которые гидратируются в готовых изделиях, поглощая влагу из воздуха по реакции гашения извести, идущей со значительным увеличением объема:
CaO + H2O = Ca(OH)2 + 4,2 кДж.
Примеси СаСО3 в глине легко обнаружить по выделению углекислого газа при действии на влажную глину 10%-ной НСl(вскипание), примеси МgСО3 – при действии горячей 10%-ной НСl.
Кварц (SiO2) обычно присутствует в глинах в виде окатанных бесцветных или окрашенных зерен, которые можно увидеть невооруженным глазом или с помощью лупы.
Для проведения анализа необходимы: проба глины, лупа, раствор 10%-ной HCl, стеклянная пластинка, оптический микроскоп МБС-10.
Результаты осмотра записывают по форме таблицы 2.
Таблица 2 – Макроскопическое описание глинистого сырья
| Наименование сырья | Цвет и оттенок | Структура, текстура, запесоченность | Наличие известняка и его распределение (проба на 10%-ную НСl) * | Содержание других примесей |
Формование образцов
Изготовление полуфабриката из пластичных масс (влажность 20–25 %) является до сих пор весьма распространенным способом керамической технологии.
Процессы пластического формования основываются на использовании соответствующего глинистого сырья – глин и каолинов, образующих при увлажнении водой тестообразные массы, способные к пластичному течению, т.е. к изменению формы без разрыва сплошности под влиянием приложенных внешних сил и к ее сохранению после снятия этих усилий.
Шликерное литье основано на способности компонентов керамических масс давать устойчивые суспензии в водной среде, заполнять пористую форму вследствие текучести, а также воспроизводить ее конфигурацию с образованием уплотненного пристеночного слоя.
При заливке шликера в пористую форму под ее отсасывающим действием в дисперсной системе возникают микропотоки частиц, в результате чего начинается осаждение твердой фазы на внутренней поверхности формы при одновременном поглощении жидкой фазы ее порами. Литье изделий в пористые формы является, по существу, процессом фильтрования, происходящим в трехслойной системе: шликер – уплотненный слой – гипсовая форма. При этом пористость последней имеет исключительное значение, поскольку процесс образования черепка обеспечивает капиллярное давление, создающее мениски воды в порах гипсовой формы.
Проведение анализа.
Для установления влажности массы существуют различные методы, наиболее простым из которых является определение влажности по потере массы материала при его высушивании.
Навеску влажного материала (20–50 г) помещают в высушенный металлический либо стеклянный бюкс с известной или предварительно определенной массой (mб) и взвешивают (масса m0). Затем пробу помещают в сушильный шкаф или радиационную сушилку и высушивают до постоянной массы при температуре (105±5)°С.Продолжительность сушки зависит от влажности, крупности кусков, пластичности, дисперсности частиц, применяемого метода сушки и колеблется от 20 мин до 4 часов.
Высушенную до постоянной массы (m1) пробу охлаждают в эксикаторе и взвешивают.
Относительная влажность определяется из выражения:
, (1)
а абсолютная влажность по формуле:
(2)
Для проведения испытаний необходимы: бюксы металлические или стеклянные, весы технические с разновесом, сушильный шкаф или радиационная сушилка.
Пластическое формование. Заранее подготовленную пластическую массу отбивают, раскатывают в пласт толщиной 15 мм и формуют образцы размером 60´30´15 мм, используя разборные металлические формы. Стенки формы предварительно смазывают машинным маслом. Отформованные образцы оправляют от заусениц и укладывают на ровную поверхность. На поверхность образцов специальным шаблоном по диагонали ставят метки, расстояние между которыми 50 мм. Образцы нумеруют, отмечая их номер и температуру спекания.
Сушку образцов ведут на воздухе в течение суток, а затем досушивают в сушильном шкафу при температуре 100±5°С в течение 1 ч до остаточной влажности не более 3%.
Шликерное литье. Шликерная подготовка используется при исследовании каолинов, глин и глиносодержащих масс. Шликер заливают в гипсовую форму, выдерживают некоторое время необходимое для набора черепка (толщина стенки 2–3 мм), после чего остатки массы сливают. Полуфабрикат изделия сушится вместе с формой до приобретения прочности в воздушно-сухом состоянии, затем извлекается из нее и досушивается в сушильном шкафу при температуре 100±5°С в течение 1 ч до остаточной влажности не более 1%.
Обжиг образцов производят в лабораторной электрической печи. Под печи, подставки и ряды образцов пересыпаются техническим глиноземом для предотвращения прилипания. Образцы обжигаются в интервале температур: легкоплавкие глины – 900–1150 °С; тугоплавкие и огнеупорные – 1050–1250°С