Физико-химические особенности формирования структуры облицовочной керамики на основе

Перспективным сырьевым техногенным продуктом является нефелиновый шлам Ачинского глиноземного комбината. Химический состав шлама представлен в таблице 1.

Химический состав техногенных отходов, масс. %

Микрофотографии монофракций нефелинового шлама представлены на рисунке 1.

Разработанные модельные системы облицовочных композиционных материалов, обеспечивают достижение принципа плотной упаковки керамических шихт. Максимальное заполнение дисперсной структуры твердой фазой достигается при соотношении в скелете размеров фракций из грубозернистых техногенных продуктов от 1,5 до 5,5. Установлена степень уплотнения скелета из нефелинового шлама, соответствующая (К_тв =0.49) и шихты на его основе (К_тв =0.45) при соотношении содержания упрочняющего скелета к матрице из глинистого компонента и кварцевого песка 3:7.

На рисунке 2 представлены модели упаковки керамической шихты на основе нефелинового шлама, глины компановской и кварцевого песка с различным фракционным составом нефелинового шлама.

а б в г
Рисунок 2 – Модель упаковки двухфракционной керамической шихты на основе нефелинового шлама (30 масс.%) с добавлением глины и кварцевого песка фракции менее 0,056 (70 масс.%): а– фракция –0315 + 0,08, б– фракция -0,08+0,056, в– фракция менее 0,056; г– на основе нефелинового шлама фракции –0315 + 0,08 и фракции–0,08 + 0,056 в соотношении 2:1
Исследования физико-химических превращений в композиционном материале проведены на оптимальном составе керамической шихты, масс. %: глина компановская – 62; нефелиновый шлам – 30; песок – 8.

Для выявления особенностей формирования фазового состава и структуры керамической плитки проведены дериватографические и рентгеноструктурные исследования исходных сырьевых материалов и композиций оптимального состава на их основе. Дериватограммы и нефелинового шлама проб, взятых непосредственно после процесса выщелачивания нефелиноизвестковых спеков (свежий), а также в процессе длительного хранения (лежалый) представлены на рисунке 3, а и б.

Рисунок 3 – Дериватограммы нефелинового шлама: а- свежий продукт; б-лежалый продукт.

Проведенный анализ возможных фазовых превращений в керамической шихте на основе глинистого сырья различного минералогического состава, нефелинового шлама с подшихтовкой кварцевым песком позволяет прогнозировать содержание отдельных кристаллических фаз, синтезируемых, в основном, в системе СаО–SiO₂, SiO₂–Al₂O₃–СаО: муллит 3Al₂O₃·2SiO₂, кристобалит SiO₂,волластонит СаО·SiO₂, анортит СаО·Al₂O₃·2SiO₂, геленит 2СаО·Al₂O₃·SiO₂. Как следует из проведенных исследований физико-химических процессов формирования черепка высококальциевой керамической плитки формирование волластонита, анортита и геленита возможно уже на стадии твердофазных реакций.

Анализ расчетных значений ∆G°_τ (рис. 4) позволяет отметить, что для всех рассмотренных реакций энергия Гиббса имеет отрицательные значения, что свидетельствует о возможности их протекания. Термодинамическая вероятность протекания реакций с изменением температур в области спекания керамических масс значительно возрастает для реакций образования анортита и геленита (рис.5). Выявленные закономерности подтверждают значительную взаимосвязь реакций образования анортита и геленита от температуры. Синтез волластонита характеризуется значительно меньшей энергетикой и в значительной степени определяется кинетическими факторами.

Рисунок 4 – Температурная зависимость энергии Гиббса (-∆G) образования кристаллических фаз в процессе обжига: ряд 1 –волластонит; ряд 2–анортит; ряд 3–геленит; ряд 4–муллит
Микроструктура образцов облицовочной керамики на основе нефелинового шлама регулируемого фракционного состава, обожженных при температуре 1100 °С представлена на рис. 5.

а б