شناخت مواد اولیه مورد مصرف در صنعت آجر

۱-۱ مواد اولیه آجر سنتی

عمده مواد اولیه سنتی، خاک های رسی است. در بعضی موارد هم از خاک هایی که عمده ترکیب آن ها ماسه های سیلیسی است به عنوان مواد کمکی همراه مواد رسی استفاده می شود. خاک های رسی یا از تجزیه مستقیم سنگ های آذرین بدست می آیند و یا از تجزیه و هوازدگی شیل ها حاصل می شوند.

در مورد حالت اول این مواد به دو شکل برجا و یا رسوبی خود را نشان می دهند. یک دسته از خاک های رسی، برجا هستند که در لابلای خود معمولا دارای مقادیری رس های پر آلومین، ماسه های سیلیسی، میکا و فلدسپات می باشند. عمدتاً این خاکها به رنگ های روشن و تا حدودی به رنگ سفید هستند. این گونه خاک ها در صنعت آجر ساختمانی کاربردی ندارند و برای تولید آجر نسوز از آنها استفاده می شود. این خاک ها دارای پلاستیسیتی متوسط هستند.

دوم خاک رسی رسوبی است که تحت عنوان sedimentary rocks گفته می شود. این خاک ها دارای رنگ هایی از خاکستری تا سیاه و یا از کرمی پررنگ تا قرمز هستند. کانی های موجود در آنها عمدتاً رس های پر آلومین ( مثلاً کائولین) – پیروفیلیت و پیریت – سیلیس به صورت کوارتز هستند. مشخصه این خاک ها علاوه بر رنگ، پلاستیسیتی زیاد آنها است. تفاوت این خاک ها، با خاک های رسی حاصل از هوازدگی شیل ها، در نداشتن و یا محدودیت وجود ناخالصی هایی نظیر گچ و نمک و سایر املاح محلول می باشد.

مثالی از این خاک ها خاک های مناطق جنوبی استان تهران است. رنگ بعد از پخت اینگونه خاک ها معمولا قرمز است. اما دسته دوم خاک های رسی، یعنی آنهایی که از هوازدگی شیل ها حاصل می شوند، به دلیل اینکه شیل های سطحی زمین در مناطقی که بیرون زدگی دارند با لایه های آهکی مجاور می شوند و در جریان هوازدگی و وجود باران های اسیدی شسته شده و در دشت ها جریان می یابند، دارای مقادیر قابل توجهی کربنات های کلسیم و منیزیم و املاح محلول کلسیم و سدیم می باشند. عمده کانی های رسی این رس ها، مونت- موریلونیت ها، کلریت و ایلیت هستند. درصد رس های با کیفیت نظیر کائولین در این گونه خاک ها کمتر است.

 بررسی مکرر آنالیز XRD این گونه رس ها نشان می دهد که این گونه رس ها، مراحل فرسایش مکرر بیشتری را نسبت به رس های حاصل از تجزیه مستقیم سنگ های آذرین گذرانده اند.

خاک های رسوبی مناطق مرکزی و شرقی اصفهان، حاصل از تجزیه و هوازدگی شیل های نهشته شده شمال تا شمال شرقی و شمال غربی و حتی مناطق جنوبی ان می باشد.

بررسی های XRD، اینگونه شیل ها هم گواه بر این است که همان کانی های موجود در اینگونه شیل ها در همین خاک ها وجود دارد. (جدول ۱-۱)

                                                                                        جدول (۱-۱) آنالیز XRF چند نمونه شیل

LOI*: کاهش وزن بر اثر پخت

 کره زمین یک مدار بیضوی را به دور خورشید طی میکند و طبق نظریه های علمی به تدریج هر ۱۵۰۰۰۰ سال حالت مدار بیضوی به شکل دایره در می آید. در چنین صورتی، زمین در هنگامی که حالت بیضوی کاملی را طی می کند طول مدت سرما، در یک گردش به دور خورشید بیشتر است و در نتیجه زمین دوران یخبندان را طی می کند. هنگامی که در مسیر دایره ای بیشتری قرار می گیرد، دوران گرما را طی می کند.

 از طرف دیگر گازها، از جمله گاز دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد در سرما مقدار بیشتری در آب حل می شود، یعنی در مواقع سرما، رسوبگذاری کمتری به صورت کربنات های کلسیم و یا سولفات های کلسیم به وجود می آید و در دوران های گرم رسوب گذاری کربنات کلسیم و یا گچ بیشتری حاصل می شود.

با توجه به این موضوع  قابل مشاهده است که در حین رسوب گذاری رس ها، در فصول مختلف مقدار متفاوتی از املاح رسوبی، خصوصا کربنات کلسیم را به همراه دارد و این دلیل بر این است که لایه های رسوبی رسی در هر طبقه که ممکن است به چند میلیمتر هم نرسد، با یکدیگر از نظر آنالیز شیمیایی متفاوت خواهد بود، بنابراین اگر در یک معدن رس بخواهید یکنواختی در مواد بوجود آورید ضرورت دپوسازی و یکسان سازی¹ ترکیب شیمیایی آن الزامیست.

از دیدگاه کلی، برای پیش بینی وجود رس در یک منطقه، باید به این موضوع اشاره کرد که در مناطقی که در ارتفاعات آن سنگ های آذرین و سنگ های سیلیسی و شیل وجود دارد، در پستی ها و آبرفت های مربوطه خاک های رسی وجود دارد. این موضوع با ملاحظه عکس های ماهواره ای بسیار گویا و قابل دیدن است. مواد اولیه رسی، معمولا از کانی های رسی و غیر رسی مختلفی تشکیل شده است.

۱- همگن سازی یا یکنواخت سازی: اگر میانگین شاخص کیفیت در هر بخش از توده سنگ یا خاک بطور مشخصی با یکدیگر تفاوت نداشته باشد  و نیاز به تعدادی از اندازه های نمونه، به طور تصادفی است.

خواص عمومی مینرال های موجود در رس های طبیعی

به طور کلی موضوعاتی را که در خصوص رس ها بایستی مورد توجه قرار داد به قرار زیر است:

۱- ترکیب مینرالوژی رس: انواع موجود و مقدار نسبی هر یک در خاک رس

۲- ترکیب فیزیکی: اندازه ذرات، توزیع و شکل های هر نوع مینرال

۳- ترکیب شیمیایی

۴- پدیده جذب سطحی یونی

۵- فشردگی و بافت رس

۶- استحکام خشک

۷- انقباض خشک شدن

۸- پلاستیسیتی

۹- رفتار حرکتی رس در جریان آبکی بودن

۱۰- ثبات تعلیق در آب

۱۱- عملکرد در جریان کار خشک شدن

۱۲- قابلیت نفوذ

۱۳- دمای پخت- دمای زینترینگ- دمای ذوب

۱۴- رنگ در اتمسفر اکسیدان و احیاء

۱۵- انقباض پخت

کانیهای رسی

 بطور کلی واژه رس نامی است عمومی برای خاکها و سنگهای رسوبی دانه ریزی که اندازه قطر آنها کمتر از ۰۰۴/۰ میلیمتر بوده و بهنگام جذب رطوبت خاصیت پلاستیسیته پیدا می کنند.

 کانیهای رسی همگی جزء فیلوسیلیکاتها یا سیلیکاتهای ورقه ای به شمار میروند. تمامی این کانیها دارای بنیان ₂ (Si₂O₅)هستند.

بعلت وجود عناصر مختلف در شبکه بلوری کانیهای رسی این کانیها خاصیت فیزیکی و شیمیایی متنوع نشان می دهند و محیط تشکیل آنها متفاوت است. پولکی و دانه ریز بودن دانه های رسی از مهمترین ویژگیهای این کانیها است که باعث پیدایش فرآیندهای فیزیکی ویژه در آنها می شود.

دو عامل اصلی، سبب ایجاد رفتارهای گوناگون در خاک های رسی می شوند: نوع کانیهای رسی و آب، مجموعه کانیهای رسی که بصورت گوناگون، خاکها و سنگ های رسی را پدید می آورند عمدتاً از این عناصر در شبکه های بلوری کانیهای رسی به شکل های گوناگون در کنار هم قرار می گیرند، لذا تجزیه شیمیایی یک خاک رس نمی تواند مشخص کننده کامل نوع کانیهای رسی باشد.

رفتار هریک از کانیهای رسی در مقابل اسید ها، قلیائیها و آب بسیار متفاوت است. کانیهای رسی در برابر آب فرآیندهایی را بوجود می آورند که از ویژگیهای مهم رسها محسوب می شوند که از آن جمله پلاستیسیته، چسبندگی، انقباض، جذب آب، تورم، نشست و حالت خمیری خاک های رسی را می توان نام برد. کم و زیاد شدن درصد آب در خاکهای رسی، سبب ایجاد تغییر در فرآیندهای مزبور می شود.

پلاستیسیته رس ها خاصیتی است که بر اثر آن رس تحت تاثیر نیروی خارجی تغییر شکل می دهد ولی یکپارچگی خود را حفظ می نماید و پس از حذف این نیرو به همین شکل باقی میماند.

 رس هارا با توجه به خاصیت پلاستیسیته هم می توان تقسیم بندی کرد.

 با خاصیت پلاستیسیته عالی ، خوب، متوسط، کم  و بدون پلاستیسیته.

پلاسیسیته خاصیتی که ماده را قادر میسازد تا به هنگام اعمال تنش بدون آن که دچار گسیختگی شود تغییر فرم دهدوبعد از برداشتن تنش ، تغییر فرم در نمونه باقی بماند.

پلاستیسیته خاکهای رسی به ریزی دانه ها و پولکی بودن آنها که بهنگام جذب آب که بر روی هم می لغزد بستگی دارد. شکل پذیری خمیرهای رسی بخاطر همین قابلیت لغزش پولکها بر روی هم می باشد. علاوه بر این ترکیب کانی شناسی و وجود مواد کلوئیدی در خاکهای رسی از عوامل موثر در ویژگی پلاستیسیته آنها است.

چگونگی وجود آب در رسها

آب به چهار صورت در خاکهای رسی وجود دارد:

۱- آب جذبی: آبی است که روی سطوح دانه ها مینشیند و سبب مرطوب شدن سنگ یا خاک می شود.

۲- آب تخلخلی: آبی است که میان دانه ها و در خلل و فرج سنگ ها وجود دارد.

۳- آب میان لایه ای: آبی است که میان پولکهای خاک رس وجود دارد و افزایش حجم توده خاک را در پی دارد.

۴- آب شبکه ای: ملکول آبی است که در واحد شبکه بلور کانیهای تشکیل دهنده خاک رس وجود دارد.

چنانچه خمیری از خاک رس در دمای ۵۰۰ درجه سانتیگراد قرار گیرد آب از دست داده، کاهش وزن پیدا می کند، در برابر آب نفوذ ناپذیر می شود، همچنین خاصیت پلاستیسیته و اسیدی بودن خود را از دست می دهد. مجموعه این رفتارها و ویژگیها، یعنی شکل پذیری، پخته شدن در اثر حرارت و نفوذناپذیر شدن پس از پخت، خاکهای رسی را بعنوان برجسته ترین ماده اولیه در صنایع سرامیک مطرح میسازد.

انواع کانی های رسی و خواص عمومی آنها

۱-  کائولین:

 مینرال کائولین به صورت بلورهای فلس مانندی است که اندازه ذرات آن زیر ۲ میکرون بوده به صورت توده به رنگ سفید می باشد

ترکیب مینرالی آن بصورت ۲H₂O , Al₂O₃ , ۲SiO₂ است. وجود این مینرال در خاک رسی، درجه پخت را بالا برده و انقباض خشک شدن و همچنین انقباض پخت را کم می کند. هر خاک رسی که دارای مقادیر زیادی از این مینرال باشد، کیفیت آن مطلوبتر و قابلیت صنعتی بیشتری دارد.

۲- مونت موریلونیت:

 به مینرال هایی که دارای شبکه های بلوری انبساط پذیر هستند و دارای بلورهای عمدتاً زیر ۱ میکرون می باشند گفته می شود.

 مونت موریلونیت ها آلومینو سیلیکات هایی هستند که در آنها نسبت SiO₂ به Al₂O₃ برابر ۴ بوده و دارای مقادیر کمی اکسیدهای قلیایی خاکی می باشند.

 فرمول عمومی آن به صورت (مقادیری آب,H₂o Al₂o₃, ۴Sio₂, ) میباشد.

 وجود مونت موریلونیت ها در مجموعه های رس قابلیت شکل پذیری را افزایش می دهد، اما حساسیت رس را در جریان انقباض خشک شدن افزایش می دهد.

یکی از انواع کانی های رسی که در گروه مونت موریلونیت ها قرار می گیرد بنتونیت است، وجود بیش از ۵% بنتونیت در یک کانی رسی، قطعه شکل یافته رس را ، فوق العاده آماده ترک خوردن می کند. انقباض پخت قطعات را نیز افزایش می دهد.

۳- کلریت:

گروهی از سیلیکات های آبدارند که به رنگ سبز بوده و یون آهن در آن برتری داشته و خیلی شباهت به میکاها دارد.

 وجود کلریت در خاکهای رسی، در جریان عمل پخت حالت های تورم حاصل شده و قطعه حالت پفکی پیدا می کند.

۴- ایلیت:

نوعی رس شبیه میکا می باشد. مشخصه مهم این رس وجود اکسید پتاسیم در آن می باشد و شبکه مولکولی آن انبساط پذیر نیست.

۵- مسکویت:

 این نوع رس هم خیلی شباهت به ایلیت دارد. تفاوت آن با ایلیت در مقدار Al₂O₃ موجود در آن است. به طوریکه مقدار Al₂O₃ آن بیش از ایلیت می باشد.

۶- کلسیت:

مقادیر متفاوتی از کربنات کلسیم، معمولاً در خاک های رسی وجود دارد. خصوصاً این ماده در خاک های رسی اصفهان- یزد- مشهد – آذربایجان شرقی و غربی وجود دارد.

وجود این ماده در رس در صورتی که در محدوده بالاتر از ۱۰% باشد، تغییرات رنگی اساسی در رنگ رس می دهد.

۷-  دولومیت:

 این ماده نیز شباهت به کربنات کلسیم دارد، با این تفاوت که وجود دولومیت بخاطر وجود اکسید منیزیم در ساختارش، در بافت آجر پخته شده، سستی قابل ملاحظه ای را ایجاد می کند.

 ۸- ژیپس:

(CaSO₄,۲H₂O) ژیپس در کانی های رسی، به عنوان یک ماده مضر غالباً به صورت کم و بیش وجود دارد.

ژیپس در جریان پخته شدن در دماهای زیر C ۫  ۱۲۰۰ فقط آب مولکولی خود را از دست می دهد، در چنین حالتی درآجرهای معمولی که در دمای محدوده C ۫  ۱۰۰۰ پخته می شود، سولفات کلسیم بدون آب در درون آجر با دریافت رطوبت به تدریج هیدراته شده و حجم آن زیاد می شود. این عمل برای دانه های زیر یک میلیمتر باعث کم شدن استحکام آجر می شود و برای دانه های بزرگتر، باعث تخریب کلی آجر می گردد.

۹- پیریت:

(FeS₂) وجود پیریت در خاک های رسی باعث متخلخل شدن بافت آجر شده و با وجود مقدار زیاد در خاک های رسی سبب از هم پاشیدن آجر می گردد.

علاوه بر خاکهای رسی، برای حل مسأله خشک کردن آجرها، خصوصاً برای آجرهای توکار، که عمدتاً بصورت هوا خشک، خشک می شود، از خاک های پر ماسه جهت مخلوط کردن با رس های معمولی استفاده می شود .

عمده سیلیس موجود در این خاکها، ماسه ندارد و بدین سبب شکل انبساط های ناگهانی و یا انقباض های نابهنگام از خود نشان نمی دهد.

خوشبختانه در لایه های خاک های رسی، لایه هایی از خاک های ماسه دار هم یافت می شود که در صورت برنامه ریزی صحیح استفاده از معدن، امکان فرموله کردن خاک، جهت کاربرد مشخص را می توان فراهم نمود.

۱-۱-۲- مواد اولیه آجرهای مهندسی

آجرهای مهندسی، آجرهایی است که در دیاگرام سه تایی، سیلیس –  فلدسپات – رس تحت عنوان بدنه های کاشی یا بدنه های ارتن ور مشخص می شود. شکل (۱-۱)

بدنه های ارتن ور سرامیک هایی هستند که دارای مقادیری جذب آهن (بین ۱۰% – ۲۰%) بوده و درصد عمده تشکیل دهنده های این بدنه ها را رس های معمولی تشکیل می دهند. پخت این بدنه ها در دماهای ۹۰۰°C تا ۱۱۰۰°C است. این بدنه ها در نور فاقد درخشندگی هستند.

بدنه های استون در سرامیک هایی هستند که درصد جذب آب آنها زیر ۴% و اغلب در محدوده ۱% می باشد.

 تشکیل دهنده های این بدنه هاعمدتاً به ترتیب فلدسپات ها – سیلیس و رس ها می باشند. رس های موجود در این بدنه ها عموماً خاصیت نسوزندگی بالاتری از رس های معمولی دارند. این بدنه ها بعد از پخت دارای خاصیت درخشندگی محدودی هستند.

 پخت این بدنه ها در دماهای ۱۱۵۰°C تا ۱۲۵۰°C انجام می شود. از این بدنه ها جهت ساخت لوله های فاضلاب شهری استفاده می شود.

روی این بدنه های آجری، لعاب ها بسیار براق و تقریباً بدون حفرات می باشند. آجرهای لعابی حاصل از این بدنه ها قابل مقایسه با آجرهای سنتی لعابی حاصل در رس های معمولی نمی باشد.

استحکام مکانیکی بسیار بالاتر، جذب آب بسیار کمتر و قابلیت فرم گیری به ابعاد بسیار ظریفتر دارد.

شیل ها را میتوان به تنهایی و بدون افزودنی با خرد کردن و پودر کردن، مرطوب کردن و پرس کردن به طریق روش پرس خشک و یا مرطوب، شکل داد.

 همچنین پودر شیل ها را با مقادیری از خاک های پلاستیک رسی می توان مخلوط نمود و به صورت گل پلاستیک به طریق اکستروژن شکل داد. پودر شیل ها را می توان به صورت گل سفت درآورد .شمش گل را در قالب های فلزی، به طریق فرم دهی پلاستیک شکل داد. این بدنه های آجری دارای مقاومت مکانیکی بسیار بالاتری از بدنه های آجر سنتی است. همچنین جذب آب آنها کمتر و مقاومت سایشی بسیار بالاتری از بدنه های آجری معمولی دارد.

 امروزه با توجه به حساسیت سازمان های محیط زیست نسبت به استفاده از خاک های رسی معمولی، خوشبختانه گرایش صنعتگران حرفه آجر روی استفاده از شیل افزایش یافته است.