ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЛИНИСТОГО СЫРЬЯ СЫРЦОВОГО КИРПИЧА И КИНЕТИКА ПЕРВИЧНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ В ТУННЕЛЬНОЙ СОЛНЕЧНОЙ СУШИЛКЕ

АННОТАЦИЯ

В статье кратко анализируется влияние химического состава, минеральных фаз и влагоудерживающих свойств глинистого сырья сырцового кирпича на процесс первичного обезвоживания в туннельной солнечной сушилке. Предлагается связывать результаты XRF, XRD, FTIR и TG/DSC с кинетикой сушки, усадкой и вероятностью трещинообразования. Показано, что повышенное содержание каолинита и кварца снижает объемную усадку, тогда как смектит усиливает сорбцию влаги, пластичность и деформации при сушке. Поэтому при выборе режима солнечной сушки необходимо учитывать не только параметры установки, но и физико-химические свойства глины.

ABSTRACT

This article briefly analyzes the influence of the chemical composition, mineral phases, and moisture-retention properties of raw brick clay on primary dewatering in a tunnel-type solar dryer. It proposes linking XRF, XRD, FTIR, and TG/DSC results with drying kinetics, shrinkage, and cracking risk. The review shows that higher kaolinite and quartz contents reduce volumetric shrinkage, while smectite increases moisture sorption, plasticity, and drying deformation. Therefore, the selection of solar drying conditions should be based not only on dryer parameters, but also on the physicochemical characteristics of the clay material.

Ключевые слова: туннельная солнечная сушилка, сырцовый кирпич, глинистое сырьё, XRF, XRD, FTIR, TG/DSC, кинетика сушки, усадка, смектит, каолинит.

Keywords: tunnel-type solar dryer, raw brick, clay material, XRF, XRD, FTIR, TG/DSC, drying kinetics, shrinkage, smectite, kaolinite.

Введение

Одним из основных факторов, определяющих качество сырцового кирпича, является минералогический и химический состав глинистого сырья. Пластичность, пористость, усадка, прочность после обжига и теплотехнические свойства во многом зависят от соотношения каолинита, иллита, смектита, кварца и других фаз. Поэтому оптимизация режима сушки без глубокого изучения сырья не может считаться полностью научно обоснованной[1].

Минералы глины по-разному взаимодействуют с водой: каолинит обычно характеризуется меньшей объемной усадкой, тогда как смектит обладает высокой влагоудерживающей способностью и вызывает более сильные деформации при сушке. В работах по интенсивной сушке показана тесная связь между составом сырья и браком. Поэтому при оценке первичного обезвоживания в туннельной солнечной сушилке ключевым является вопрос не только эффективности установки, но и пригодности конкретного типа глины к выбранному режиму[2].

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являлись глинистое сырьё для формования сырцового кирпича и образцы, полученные из него. Работа была направлена на оценку связи между физико-химическими свойствами глины и процессом первичного обезвоживания в туннельной солнечной сушилке. Начальная влажность сырцового кирпича составляла около 23 %, после обезвоживания снижалась примерно до 19 %, что соответствует удалению части свободной и слабосвязанной влаги.

Образцы формовали по стандартной технологической схеме. До начала опыта определяли массу и исходную влажность. В процессе обезвоживания масса измерялась через каждый 1 час, общая продолжительность составляла 36 часов. Эксперимент завершали после снижения влажности на 3-5 процентных пунктов. Абсолютно сухую массу определяли после лабораторного высушивания контрольной пробы до постоянной массы при 105 ± 2 °C[3].

Опыты проводились в туннельной солнечной сушильной установке с полуцилиндрическим воздушным коллектором, акриловым покрытием, чёрным стальным абсорбером, теплоизоляцией, вентилятором и конвейерно-туннельной частью.

Рисунок 1. Конструктивная схема туннельной солнечной сушилки для первичного обезвоживания сырцового кирпича:
1 - прозрачное акриловое покрытие; 2 - полуцилиндрический солнечный воздушный коллектор; 3 - чёрный оцинкованный стальной абсорбер толщиной 1,0 мм; 4 - теплоизоляционный слой; 5 - вентилятор принудительной подачи воздуха; 6 - направление движения нагретого воздуха; 7 - конвейерно-туннельная часть; 8 - сырцовый кирпич; 9 - выходной канал.

Испытания проводились в климатических условиях г. Ферганы. В период экспериментов солнечная радиация составляла 400-900 Вт/м², температура наружного воздуха - 28-41 °C, а внутри сушилки - 59-68 °C. Фиксировались солнечная радиация, температура и относительная влажность воздуха, скорость воздушного потока и масса образцов. Продолжительность первичного обезвоживания составляла 36 часов, массу измеряли через каждый 1 час. Для воспроизводимости использовалось измерительное оборудование, приведённое в таблице 1.

Таблица 1.

Измерительное и аналитическое оборудование, использованное в эксперименте

Массу образцов определяли до начала сушки и далее через каждый 1 час, поскольку расчёт кинетики обезвоживания зависит от точности массовых измерений. Измерения выполнялись на электронных весах CS-500 / СФ-400 с диапазоном до 5 кг и точностью ±0,1 г. Для повышения достоверности проводили не менее трёх повторных измерений. Абсолютно сухую массу определяли после лабораторного высушивания контрольной пробы до постоянной массы. Полученные данные использовали для расчёта влажности, отношения влажности и скорости сушки.

                                                (1)

где - влажность образца на сухой основе в момент времени , %; - масса образца в момент времени , г; - абсолютно сухая масса образца, г.

Отношение влажности рассчитывали по выражению:

                                              (2)

где - отношение влажности; - влажность в момент времени , %; - начальная влажность, %; - равновесная влажность, %.

Скорость сушки определяли по формуле:

                                             (3)

где - скорость сушки, %/мин; и - влажность образца в моменты времени и , %; - интервал времени между измерениями, мин.

Линейную усадку определяли по выражению:

                                          (4)

где - линейная усадка, %; - начальный линейный размер образца, мм; - линейный размер образца после сушки или в момент времени , мм[4].

Химический состав глинистого сырья определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа (XRF), что позволило установить содержание основных оксидов: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, CaO, MgO, K₂O, Na₂O, TiO₂ и потери массы при прокаливании. Минеральные фазы идентифицировали методом рентгеновской дифракции (XRD), который применялся для определения кварца, каолинита, иллита, смектита и сопутствующих фаз. Метод FTIR использовался для анализа полос поглощения OH-групп, Si-O-связей и адсорбированной воды. Термический анализ TG/DSC применялся для оценки удаления адсорбированной влаги, возможных органических и структурных превращений, а также дегидроксилирования глинистых минералов[5].

Результаты и обсуждение

Результаты рентгенофлуоресцентного анализа глинистого сырья представлены в таблице 2. Полученные данные показывают, что исследуемое сырьё имеет выраженную алюмосиликатную природу, что является типичным для глинистых материалов, применяемых при производстве строительной керамики и сырцового кирпича [6].

Таблица 2.

Химический состав глинистого сырья по данным XRF

Преобладание SiO₂ - 54,20 мас. % - указывает на значительную долю кварца и силикатных фаз, выполняющих скелетообразующую функцию и ограничивающих усадку при сушке. Содержание Al₂O₃ - 17,80 мас. % - отражает присутствие алюмосиликатных глинистых минералов, а соотношение SiO₂/Al₂O₃ ≈ 3,04 подтверждает преобладание кремнезёмной составляющей. Потеря массы при прокаливании - 9,50 мас. % - связана с наличием связанной воды, карбонатов или органических примесей.

По данным XRD, технологически значимыми фазами являются кварц, каолинит, иллит и смектит [7]. Каолинит обеспечивает более стабильную усадку, смектит повышает влагоудержание и риск трещинообразования, а иллит занимает промежуточное положение [8]. FTIR-полосы 3697-3620 см⁻¹ и около 1030 см⁻¹ соответствуют OH-группам и Si-O-связям. TG/DSC подтверждает удаление свободной и адсорбированной влаги при 50-200 °C. Поэтому режим первичного обезвоживания должен учитывать минеральный состав, форму связи влаги, температуру, скорость воздушного потока и продолжительность сушки.

Таблица 3.

Основные параметры первичного обезвоживания сырцового кирпича в туннельной солнечной сушилке 

Для полного описания кинетики обезвоживания необходимо представить экспериментальные значения массы и влажности во времени - в виде таблицы или графика. Кривая процесса должна отражать постепенное снижение влажности сырцового кирпича с 23 до 19 %. В начале сушки преимущественно удаляется свободная и слабосвязанная влага, поэтому скорость обезвоживания выше. По мере уменьшения влаги возрастает влияние капиллярно и адсорбционно связанной воды, что снижает скорость сушки[9].

Рисунок 3. Изменение скорости сушки в процессе первичного обезвоживания сырцового кирпича.

Скорость сушки зависит от температуры нагретого воздуха, интенсивности солнечной радиации, скорости воздушного потока и физико-химических свойств глинистого сырья. При температуре воздуха внутри сушилки 59-68 °C создаются условия для удаления влаги без резкого перегрева поверхности сырцового кирпича. Однако при высоком содержании тонкодисперсных и смектитовых компонентов слишком интенсивное удаление влаги может вызвать неравномерную усадку. Поэтому технологически рациональным является не максимальное ускорение процесса, а согласование режима сушки с минералогическим составом сырья.

Усадка и трещинообразование при сушке сырцового кирпича зависят не только от температуры и скорости воздушного потока, но и от минерального состава глины. Повышенное содержание смектита усиливает влагоудержание, пластичность, объёмные деформации и риск трещин при резком удалении влаги. Поэтому начальный режим сушки должен быть мягким, с контролируемым повышением температуры и умеренной скоростью воздуха. При преобладании каолинита и кварца сырьё обычно сушится стабильнее: кварц ограничивает усадку за счёт скелетообразующего эффекта, а каолинит меньше склонен к набуханию.

Рисунок 4. Связь минерального состава глинистого сырья с усадкой и риском трещинообразования при первичном обезвоживании сырцового кирпича.

Практическая оценка показывает, что режим первичного обезвоживания нельзя выбирать только по температуре воздуха или солнечной радиации. Он должен учитывать химический и минеральный состав сырья, форму связи влаги, скорость воздушного потока, продолжительность сушки, усадку и риск трещинообразования. Поэтому совместное применение XRF, XRD, FTIR, TG/DSC и кинетических измерений позволяет научно обоснованно выбирать режим солнечной сушки для конкретного глинистого сырья[10].

Заключение

Эффективность первичного обезвоживания сырцового кирпича в туннельной солнечной сушилке напрямую зависит от физико-химических и минералогических свойств глинистого сырья. Совместное применение XRF, XRD, FTIR и TG/DSC позволяет оценить алюмосиликатную природу материала, соотношение кварца и глинистых минералов, форму связи влаги и риск усадки и трещинообразования. Глины с повышенным содержанием каолинита и кварца обычно сушатся более стабильно, тогда как при высоком содержании смектита возрастают сорбция влаги, усадка и вероятность трещин. Поэтому при выборе оптимального режима необходимо учитывать не только параметры сушилки, но и реальный химико-минеральный состав глины.

Список литературы:

1. Wang S., Gainey L., Mackinnon I.D.R., Allen C., Gu Y., Xi Y. Thermal behaviors of clay minerals as key components and additives for fired brick properties: A review // Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 66. Art. 105802.
2. Zaccaron A., Nandi V.S., Dal Bó M., Arcaro S., Bernardin A.M. The behavior of different clays subjected to a fast-drying cycle for traditional ceramic manufacturing // Journal of King Saud University - Engineering Sciences. 2024. Vol. 36, no. 5. P. 339-348.
3. Zaccaron A., Nandi V.S., Bernardin A.M. Fast drying for the manufacturing of clay ceramics using natural clays // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 33. Art. 101877.
4. Meimaroglou N. et al. The role of intrinsic soil properties in the compressive strength and volume change behavior of unstabilized earth mortars // Materials and Structures. 2024.
5. Likos W.J., Lu N. Water Vapor Sorption Behavior of Smectite-Kaolinite Mixtures // Clays and Clay Minerals. 2002. Vol. 50, no. 5. P. 553-561.
6. Karagiannis N., Karoglou M., Bakolas A., Krokida M., Moropoulou A. Drying kinetics of building materials capillary moisture // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 137. P. 441-449.
7. Gomez R.S. et al. The Effect of Air Relative Humidity on the Drying Process of Sanitary Ware at Low Temperature: An Experimental Study // Processes. 2023. Vol. 11, no. 11. Art. 3112.
8. Egole C.P. et al. Experimental characterization of two clay deposits blended with feldspar and quartz for building services and refractory applications // Journal of African Earth Sciences. 2024. Vol. 218. Art. 105373.
9. Ali A. et al. X-ray Diffraction Techniques for Mineral Characterization: A Review for Engineers of the Fundamentals, Applications, and Research Directions // Minerals. 2022. Vol. 12, no. 2. Art. 205.
10. Al-Amin K. et al. Fourier transform infrared spectroscopic technique for analysis of inorganic materials: a review // Nanoscale Advances. 2025.