Сравнительный анализ свойств глин месторождений России и Бурунди

Качественные характеристики керамических изделий зависят от вида применяемого сырья: глины, песка, полевого шпата и др. Глина – мелкозернистая осадочная горная порода, пылевидная в сухом состоянии, пластичная при увлажнении. Глина состоит из одного или нескольких минералов группы каолинита (происходит от названия местности Каолин в Китае), монтмориллонита или других слоистых алюмосиликатов (глинистые минералы), но может содержать и песчаные и карбонатные частицы [1].

Как правило, породообразующим минералом в глине является каолинит, его состав по массе: 47% оксида кремния (SiО 2 ), 39% оксида алюминия (Аl 2 О 3 ) и 14% воды. Оксиды алюминия и кремния составляют значительную часть химического состава глин. Окраска глин обусловлена примесями ионов – хромофоров [2]. Природные сырьевые материалы, используемые в технологии керамики и огнеупоров, в том числе глинистые породы, необходимо охарактеризовать по составу и свойствам, без чего невозможно обеспечить постоянство технологического процесса и должное качество выпускаемой продукции [3]. Перед использованием в производстве поступающих партий сырья, при оценке новых месторождений сырья, а также при выполнении любых исследований и технологических разработок необходимо проводить определенный комплекс анализов, зависящий от требований к данному виду сырья [4].

Выводы о возможности использования породы исследуемого сырья делаются на основе анализа совокупности ее свойств, включающих характеристику сырой глины (химический, зерновой составы, пластичность, связующая способность), поведение при сушке (чувствительность к сушке, усадка при сушке) и при обжиге (огневая усадка, спекаемость, огнеупорность) [5]. Определение свойств производится по государственным стандартам ГОСТ 2642–93; ГОСТ 530–95 [6].

Тропические регионы Восточной Африки представляют особый интерес, потому что выветривание горных пород там более продолжительное, полное и заметное, чем в умеренном климате. Горнодобывающая промышленность является важным компонентом социально-экономического развития Бурунди. Найденные там глины представляют интерес для промышленности [11–18].

Цель работы – сравнительный анализ физико-химических свойств глин месторождений России и Бурунди (Бурунди – суверенная страна, расположенная в Восточной Африке).

Материалы и методы

Отбор проб глин проводили методом квартования. В полученных образцах определяли влажность и потери при прокаливании согласно [1–3].

Гранулометрический состав глины определяли по методу Б.И. Рутковского [2, 8]. Он влияет на свойства глин: пластичность, сопротивление сдвигу, сушильные свойства, усадка и др. Метод основан на способности глинистых частиц набухать в воде и на различной скорости падения частиц в воде в зависимости от их размера и плотности. С помощью метода Б.И. Рутковского выделяют три основные фракции: глинистую – с размером частиц менее 5 мкм (0,005 мм); пылеватую – с размером частиц 5–50 мкм (0,005–0,05); песчаную – с размером частиц от 50 мкм и более (0,05–2 мм). Данные по гранулометрическому составу наносили на тройную диаграмму Охотина [9, 10, 2], по области которой устанавливается тип глины или суглинка. На сторонах треугольника находятся точки, соответствующие процентному содержанию песчаных, глинистых и пылеватых компонентов, из них проводятся линии, параллельные основаниям, все три линии пересекаются в одной точке, определяющей тип глинистой породы.

Для определения химического состава рентгенофлюоресцентный анализ проводили в Бурунди, в управлении горнодобывающей промышленности и минералов на приборе Rigaku в лаборатории WDXRF.

Результаты и обсуждение

По методу Б.И. Рутковского определен зерновой состав глинистого сырья месторождений России и Бурунди, данные по шести образцам глин приведены в таблице 1. Построена диаграмма Охотина – распределения фракций «глина – пылеватые фракции – пески» (рисунок 1). Глины Лукошкинского, Владимирского и Шулеповского месторождений относятся к глинистым. Глины Чибисовская, Rouge и Noire содержат достаточное количество пылеватых фракций – это глины пылеватые. Наибольшее количество пылеватых фракций в глине Noire. Например, глина Лукошкинского месторождения характеризуется следующим составом: глинистых фракций -53,03%; пылеватых – 22%; песчаных – 24,97%. Значит, исходя из максимального содержания глинистых фракций, данная порода относится к глинистым.

На основании выполненного анализа можно сделать вывод о наименовании грунта с помощью классификации грунтов по В.В. Охо-тину. Так глины Лукошкинская, Владимиров-ская, Шулеповская по гранулометрическому составу имеют наименование грунта «глины», Чибисовская и Rouge – «суглинок тяжелый», а Noire – «суглинок пылеватый»..

Таблица 1.

Физико-химические свойства глин

Table 1.

Physical and chemical properties of clays

Образец глины Clay sample	Влажность Humidity W, %	Потери при прокаливании Calcination losses	Содержание фракций, % Fraction content, %			Тип глинистой породы Type of clay rock
			Песчаные частицы Sand particles (1–0,05 мм)	Пылеватые частицы Dusty particles (0,05–0,005 мм)	Глинистые частицы Clay particles (менее 0,005 мм)
Лукошкинская (Л)	1,19	8,71	24,97	22,00	53,03	глинистая clayey
Владимировская(В)	2,70	8,98	26,10	26,00	47,80
Шулеповская (Ш)	1,19	13,40	20,43	19,00	60,57
Чибисовская (Ч)	0,85	5,00	31,78	46,00	22,22	пылеватая silty
Rouge (R)	2,01	10,24	35,00	40,03	24,97	песчанопылеватая sandy-silty
Noire (N)	0,89	9,82	12,00	72,11	15,89	пылеватая silty

Пробы глин Шулеповского месторождения имеют самые высокие значения потерь при прокаливании (таблица 1), что связано с большим содержанием в них карбонатных пород и органических веществ. Низкие потери при прокаливании имеет глина Чибисовская. Потери при прокаливании глин Бурунди имеют среднее значение ~10%. Самое высокое содержание оксида алюминия в глине Шулепов-ского месторождения, самое низкое – в глине Владимирской. С повышением в глине содержания Аl 2 О 3 , огнеупорность ее возрастает. В огнеупорных глинах содержание Аl 2 О 3 достигает 32–35% (Чибисовская, Rouge, Noire), а в кирпичных – 10–15% (Владимировская). По содержанию Аl 2 О 3 глины подразделяют на высокоглиноземистые – содержание Аl 2 О 3 превышает 45%; высокоосновные – содержание Аl 2 О 3 составляет 38–45% (Шулеповская); основные – содержание Аl 2 О 3 составляет 28– 38% (Шулеповская, Чибисовская, Rouge, Noire); полукислые – содержание Аl 2 О 3 составляет 14–28% (Лукошкинская и Владимирская). Оксид железа Fе 2 О 3 в составе глин оказывает на обожженное изделие сильное красящее действие. При обжиге в восстановительной среде снижает температуру плавления глины. Содержание Fе 2 О 3 в глинах может достигать 8–10%. Наибольшее количество Fе 2 О 3 в глинах Бурунди и Владимирской.

Рисунок 1. Диаграмма Охотина распределения фракций «глина – пылеватые фракции – пески»

• Figure 1.    Okhotin's diagram of the distribution of fractions "clay – dust fractions – sand"

Глины Бурунди близки между собой по содержанию оксидов кремния и алюминия. Глины Российских месторождений различаются.

Для качественного описания областей применения глинистого сырья в зависимости от химического состава построена концентрационная диаграмма Аl2О3 – SiО2 – Fе2О3 + ΣМеО – сумма всех остальных оксидов в прокаленном состоянии, мас. % (рисунок 2).

Результаты построения концентрационной диаграммы помогают определить пригодность глины для определенного вида керамических изделий, выявить элементы, типичные для различных глин. Например, по диаграмме можно выявить оксиды-маркеры, которые характерны для разных месторождений глин, прогнозировать влияние химического состава на свойства глин, отнести исследуемую глину к легкоплавкому или тугоплавкому природному сырью.

Таблица 2.

Результаты химического анализа на прокаленное вещество

Table 2.

Results of chemical analysis of the calcined substance

Образец глины Clay sample	Содержание, % Content, %				Тип глины Type of clay
	Аl 2 О 3	SiО 2	Fе 2 О 3	Σ МеО
Лукошкинская	17	69,3	3,1	10,6	полукислая semi-acidic
Владимировская	11,73	73,65	6,38	8,29
Шулеповская	40,70	54,31	1,82	3,00	основная main
Чибисовская	30,14	61,34	3,35	4,85
Rouge	32,3	55.5	9,20	3,3
Noire	32.5	57.3	5,93	4,27

Лукошинская и Владимирская глины попали в область легкоплавких глин, они похожи по своему химическому составу.

Владимирский карьер занимается добычей, переработкой и поставками минерального сырья для производства всех видов керамики, располагает месторождениями сырья, главными преимуществами которого являются уникальные керамические свойства глины, стабильный состав, широкий спектр оттенков, универсальность (подходит для любого вида керамики). Наиболее благоприятными горнотехническими условиями залегания полезной толщи обладают Лукошкинское месторождение. Разрабатываемое Лукошкинское месторождение в настоящее время удовлетворяет потребности ряда крупнейших предприятий (Щекинского и Рязанского заводов кислотоупорных изделий, Волгоградского и Саратовского заводов, керамических изделий, Голицынского, Старооскольского, Елецкого кирпичных заводов). Эта глина может применяться взамен глины Владимирского месторождения.

Глины Шулеповская, Чибисовская, Rouge и Noire относятся к тугоплавким.

Глины Чибисовского месторождения относятся к огнеупорным. Это связано с повышенным содержанием в них глинозема – Аl2О3 (более 27%). Из-за повышенного содержания красящих оксидов глины не пригодны для изготовления фарфоровых, фаянсовых, художественных хозяйственных, а также электротехнических изделий. Их используют для изготовления керамической плитки для внутренней и наружной облицовки; канализационных труб; химически стойких изделий.

Огнеупорные глины Шулеповского месторождения пригодны для производства шамотных изделий. В шихту наряду с Шулепо-вской глиной добавляют определенную часть пластичной глины для лучшей формуемости массы. Спекаются изделия в интервале температур 1000–1420 °С.

Глины Rouge и Noire, благодаря повышенному содержанию железа, применяются в Бурунди в строительстве, изготовлении посуды, косметологии и народной медицине. В последнее время рассматривают возможность использования этих огнеупорных глин в производстве цемента, производимого фирмой BUCECO (Бурунди), для устройства оснований дорожного полотна.

Рисунок 2. Концентрационная диаграмма расположения глин в зависимости от химического состава

• Figure 2.    Concentration diagram of clay arrangement depending on chemical composition

Заключение

В данной работе были изучены физикохимические свойства глин месторождений России и Бурунди. Использованы данные по составу и свойствам изученных объектов, полученные с помощью различных методов: рентгенофлюоресцентного,     гравиметриче ского, химического. Построены диаграммы Охотина и концентрационные диаграммы. На основании построенных моделей можно выявить взаимосвязь химического состава, характеристик глинистого сырья и показателей качества готовой продукции.