Получение термолита из опочного гравия и бетона на его основе

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет архитектуры и строительства ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРМОЛИТА ИЗ ОПОЧНОГО ГРАВИЯ И БЕТОНА НА ЕГО ОСНОВЕ Тяпкин Вячеслав Александрович, Калашников Владимир Иванович, Ерофеева Ирина Владимировна Аннотация На основании анализа производства термолитового заполнителя в России из природных опок и диатомита обосновывается экономическая эффективность и организация производства термолитовых заполнителей из собственного сырьевого материала. Приведены требования к сырью. Осуществлено исследование опоки и проведен обжиг термолита при различных температурах. Из обожженной опоки получен термолитовый щебень различных фракций, термолитовый песок, реакционно-активная дисперсная добавка, заменяющая микрокремнезем или добавляемая к микрокремнезему, уменьшая его содержание в бетоне.

Ключевые слова: обожженная молотая опока, опочный гравий, опочный песок, реакционно-активный высокодисперсный термолит, термолит термолитовый заполнитель диатомит сырье Производство термолита аналогично наиболее дешевому «сухому» способу производства керамзита. Поэтому стоимость 1 м³ термолита будет дешевле стоимости керамзита, полученного сухим способом. Стоимость 1 м³ термолита, производимого во Владимирской области даже при перевозке сырья на расстояние 70 км, ниже в 2 раза стоимости 1 м³ керамзита, производимого в этой же области.

Производство заполнителей из кремнистых пород экономически выгодно, так как его будут получать из местного сырья. Применение в бетонах легких термолитовых заполнителей вместо привозных тяжелых, также даст значительный экономический эффект. Предварительная оценка себестоимости термолита из собственного дробленого и обожженного опочного гравия составит не более 700 руб. за 1 м³. Если учесть, что отход обожженной тонкой фракции 0,5 — 5,0 мм после помола может быть использован в качестве реакционно-активной добавки вместо микрокремнезема в собственном производстве и для продажи на заводы ЖБИ Пензенской области, то экономический эффект от производства термолита будет более высоким.

Для доказательства возможности промышленного использования новых сырьевых ресурсов и производства из них различных искусственных заполнителей для бетонов в крупнейших районах широкого распространения месторождений кремнистых пород были проведены опытно-промышленные получения искусственных заполнителей из различных кремнистых пород. Для получения термолитовых заполнителей в заводских условиях применялись трепел Брянской области, мергелисто-кремнистая порода Курской области, карбонатная и некарбонатная опока Саратовской области. В городах Курске, Энгельсе и Саратове использовались сорокаметровые вращающиеся печи, в г. Орле — двадцати двух метровая.

Проведенной серией опытно-промышленных испытаний доказана возможность промышленного производства искусственных заполнителей из кремнистых пород и необходимость создания такой отрасли производства. В результате исследований кремнистых пород различных областей доказана возможность промышленного использования новых сырьевых ресурсов для получения различных местных строительных материалов.

При заводских испытаниях проверялись пригодность типичного сырья этих районов для получения из него заполнителей, методы разработки, дробления, хранения, поведения его при обжиге, различные режимы обжига, качества готовой продукции и многие другие вопросы.

Нами было установлено, что применяемые для производства термолитов кремнистые породы как сырье обладают положительными качествами: каменистостью (дают при разработке и дроблении полуфабрикат хорошей формы и гранулометрии), термостойкостью (при температуре 600 — 700⁰ С приобретают незначительную трещиноватость) и позволяют получать при обжиге прочные заполнители с хорошими физико-механическими свойствами.

При дроблении горных кремнистых пород установлено, что наиболее подходящими камнедробилками для этих пород являются щековые и валковые. Так, при двухстадийном дроблении курской породы на дробилках СМ-11б и СМ-12 даже при 40% влажности породы получался щебень-сырец хорошей формы и гранулометрическим составом. При размере выходной щели 35 — 40 мм работающей дробилки СМ-12 налипаний породы на валки не происходило.

Для опочного гравия вследствие его лещадной формы мы рекомендуем короткоконусные или валковозубчатые дробилки. Первые — дробят лещадный гравий под действием излома, вторые — при действии сил раскалывания.

В зависимости от технологических методов производства термолита заготовку полуфабриката можно производить круглый год или складировать летом на заводских площадках. В этом случае строительство складских помещений для хранения полуфабриката зависит от морозостойкости пород. Так, мергелисто-кремнистая порода обладает малой морозостойкостью и при хранении под открытым небом за период одной зимы почти полностью разрушается, а более морозостойкие карбонатные и трепеловидные опоки в таких условиях хранятся без разрушения.

Установлено, что при получении термолитов из более плотных и высокопрочных пород карбонатной опоки и темного трепела, обычно взрывающихся при тепловом ударе 600 — 700^оС, проверялось указанное явление при обжиге во вращающихся печах. Щебень-сырец из этих пород без подсушки и подогрева подавался во вращающуюся печь с температурой 600−700^оС. Количество растрескиваний было незначительным. Щебень-сырец фракций 60−90 мм в большинстве случаев не взрывался. Количество растрескиваний двадцати двух метровой печи значительно больше, чем в сорокаметровой. Из приведенного примера видно, что подсушка пород перед обжигом не нужна, следовательно, не нужно оборудование для этой операции. Учитывая, что термолитовый щебень в основном рекомендуется для конструктивного бетона, для которого требуется щебень фракций до 20 мм и менее, который при обжиге спекается на всю глубину и не имеет ядра с пониженной прочностью.

За время прохождения в печи щебень-сырец подсушивается, подогревается, максимально обжигается и затем остывает до температуры 700−800^оС. Фактически процесс максимального обжига, когда происходит спекание термолита, длится 5−10 мин, и достигается он повышением температуры обжига. Для опоки может быть рекомендован указанный температурный режим и короткие вращающиеся обжиговые печи.

При обжиге трепела, имеющего незначительное количество легкоплавких компонентов, все процессы обжига завершаются за 30−35 мин. Из этого времени на процесс спекания приходится 10−13 мин. Однако, процесс спекания полностью не завершается, и полученный термолит не имеет достаточной прочности. Для завершения процесса полного спекания температура обжига в печи должна быть доведена до 1260^оС. Полученный заполнитель имел полиморфные превращения и пониженную прочность.

При обжиге в лабораторных условиях нами было установлено, что для процесса спекания опоки и получения термолита с максимальной прочностью требуется увеличить время нахождения щебня в печи до 60 мин, температура обжига должна быть 1000−1100^оС. Для опочного гравия может быть рекомендован режим обжига с более продолжительным процессом спекания, а следовательно, и более длинные печи — порядка 40−50 метров. Для получения некоторых фактурных термолитов также требуются режимы обжига с удлиненным процессом спекания.

Во вращающихся печах при обжиге трепела и карбонатной опоки был получен щебень с проявлениями полиморфных превращений. Частичное и слабое проявление полиморфизма опала и кварца наблюдалось у глинистых диатомитов и трепеловидных алевролитов. В результате обжига при высоких температурах орловского трепела был получен термолитовый заполнитель с пониженной прочностью. При петрографических исследованиях нами было установлено, что снижение прочности полученного термолита произошло за счет в-г-инверсии.

Термолитовый щебень, полученный при обжиге в сорокаметровых печах из карбонатных пород, имел слегка окатанную гравелистую форму. Стирание граней происходило от продолжительности движения щебня по футеровке печи. Поэтому целесообразно иметь меньшее количество оборотов печи и больший угол её наклона, чем большую длину печи. На основании сказанного можно сделать вывод, что влажность сырца из кремнистых пород не оказывает заметного влияния на трещинообразование и спекаемость получаемого термолита. Сырье с повышенным содержанием влаги ведет только к временному понижению температуры обжига и увеличению расхода топлива. Появление открытых трещин на части заполнителя связано с объемной огневой усадкой при обжиге породы.

При получении высокопрочных термолитов требуется производить раздельный обжиг крупных и мелких фракций сырца, когда температурный интервал получения термолита выше температуры слипания мелких фракций. Данное положение подтверждается рядом лабораторных исследований, когда мелкая фракция обжигалась при более низкой температуре.

Установлено, что для получения слабообожженных термолитов операции отсева фракций менее 5 мм перед обжигом не требуется, так как при невысоких температурах обжига не происходит слипания мелких фракций и прилипания их на футеровку печи. В данном случае можно осуществлять совместный обжиг крупных и мелких фракций. Это возможно также при обжиге более огнеупорных опок, температура слипания мелких фракций которых составляет 1320^оС, а температурный интервал получения высокопрочных термолитов 1220 — 1280^оС. Не требуется операция отсева мелких фракций и при обжиге фактурного термолита размером 0,15- 10,0 мм. В этом случае температурный интервал получения термолита должен быть одинаковым для указанных фракций и не должен превышать температуры слипания мелких фракций.

Не рекомендуется совместный обжиг легкоплавких и тугоплавких разновидностей кремнистых пород. Так, при совместном обжиге при высокой температуре некарбонатного и карбонатного трепелов, происходило частичное расплавление более легкоплавкого карбонатного и налипание на него щебня из некарбонатного трепела. В результате проведенных исследований разработаны требования к сырью:

• 1. Сырье должно быть однородным, водостойким и термостойким, в нем должны отсутствовать легкоплавкие и тугоплавкие разновидности пород;
• 2. Сырье должно обладать достаточной каменистостью, позволяющей получать из него путем дробления щебень — сырец;
• 3. Сырье не должно быть запесоченным, ориентировочное содержание количества кварца в породах не должно превышать 20 — 25%;
• 4. Суммарное содержание оксидов алюминия и железа не должно превышать 20%;
• 5. Предельное содержание в породах оксида кальция должно быть не более 25%;
• 6. В сырье не должны присутствовать крупные карбонатные органогенные остатки;

Процесс производства термолита может быть осуществлен по сухому способу производства керамзита с учетом вышесказанного. Для производства необходимы следующие технологические операции:

• 1. Доставка опочного гравия к месту производства;
• 2. Получение путем дробления щебня-сырца;
• 3. Обжиг и охлаждение термолита;
• 4. Складирование и транспортировка готовой продукции.

Анализируя применяемые методы переработки сырья из кремнистых пород и существующих технологических процессов получения искусственных пористых заполнителей, рекомендуем следующий вид технологической схемы совместного производства крупных и мелких термолитовых заполнителей.

Пензенские намывные гравийные опоки отличаются от природных карьерных опок тем, что они были подвергнуты в процессе своего генезиса механогидрохимическому воздействию в процессе водного перемещения по руслу реки. В результате этого осуществлялось их прочностное обогащение. Более рыхлые и менее прочные породы в большей степени истирались и растворялись в водной среде.

Темные разности опоки обладают повышенной твердостью 4−4,5 и плотностью 1600 — 1700 кг/м³; светлые разности имеют более низкую твердость 2,0−2,5 и плотность 1100 — 1200 кг/м³. Более плотные разновидности опоки со средней плотностью 1400- 1700 кг/м³ относятся к кремнеподобным с повышенным содержанием SiO₂ (88−94%).

Другая разновидность опоки — кремнистая — обладает большей пористостью и имеет более низкое содержание SiO₂ (78,0−80,0%). Кремнистые составляющие представлены кварцем, кристобалитом, опалом. Также присутствуют окислы железа, незначительное количество оксидов железа, кальция и Al₂O₃. Обжиг при температуре 800⁰С состав изменяет незначительно, спекание лишь частично изменяет пористость опоки при её малом остекловании. При температуре 1000⁰С степень остеклования повышается. Его полнота наступает при температуре 1200 — 1300⁰С. При этом опока с меньшим содержанием SiO₂(80−85%) в присутствии легкоплавких примесей, создающих низкотемпературные эвтектики, спекается при более низкой температуре.

Темные опоки имеют повышенное количество аморфного кремнезема — опала. При выщелачивании опала в водных условиях опока принимает желтоватый цвет. Спекаемость аморфного кремнезема слабая и медленная.

Присутствие халцедона в кремнистых породах связано с метаморфизмом опала. Обычно он преобладает в осадках более древних периодов. С превращением опала в волокнистый халцедон или скрыто-кристаллическую разновидность кварца повышается прочность за счет роста кристаллов и образования новых связей. Пензенский намывной опочный гравий разделяется по цвету на две разновидности-темноцветную и светлоцветную.

Пробы опочного гравия двух поставок, отсеянные от мелких фракций менее 10 мм, были высушены до постоянного веса для определения влажности. В результате анализа было установлено, что влажность первой пробы оказалось равной 6% по массе, а второй пробы — 11%. Разная влажность опоки является результатом, свидетельствующим о возможных колебаниях влажности, зависящих от места отбора опоки после гидронамыва и времени года. Поэтому при организации технологии производства термолитового заполнителя необходимо иметь промежуточный склад опочного гравия.

В производстве керамзитового гравия для хранения глины сооружается глинозапасник, на котором происходит усреднение глины по влажности при хранении без увлажнения атмосферными осадками.

Рассев опочного гравия на стандартном наборе сит с ячейками от 20 до 0,315 мм позволил установить его полный гранулометрический состав. Результаты представлены в таблице.

Таблица. Гранулометрический состав опочного гравия от гидроклассификации песка в ООО «ПУС».

Как следует из таблицы, в опоке содержание зерен с размерами более 5 мм составляет 55,7%. Именно эта фракция опоки необходима для изготовления крупного термолитового заполнителя для легкого бетона. Содержание мелкой фракции опоки с размерами 0,63 — 5,0 мм составляет 9,6%. Тонкая фракция с размерами 0,0 — 0,63 мм, содержание которой 34,7%, является очень мелким кварцевым песком. Следовательно, из 1 т опочного гравия может быть выделено 557 кг нужной фракции от 5 до 40−50 мм, которая после дробления может быть использована для обжига и получения термолита.

Крупный опочный гравий фракции 10 мм и более был проанализирован по форме зерен. В нем содержание зерен лещадной формы составило 60%. Понизить содержание зерен лещадной формы в термолитовом заполнителе можно специальным дроблением.

Учитывая, что после дробления крупной фракции опоки до размеров зерен 5 — 10 мм появится до 10 — 20% мелочи с размерами менее 5 мм, выход продукта уменьшится до 450 — 500 кг из 1 т опочной смеси. Если содержание песка при правильных отборах проб уменьшится незначительно, то следует изменить напорную скорость гидросмеси и уменьшить содержание кварцевого песка в опоке.

Опочный песок фракции 0,63 — 5,0 мм может обжигаться совместно с отсевом дробления опоки, в которой будет присутствовать мелкая фракция, полученная при дроблении. Нами разработана реакционно-активная добавка из молотой опоки. Она по реакционной активности несколько уступает дорогому микрокремнезему. Эффективность её проверена нами на обычных и легких термолитобетонах. В связи с тем, что себестоимость этой добавки, изготавливаемой из собственного сырья, оценивается нами не более 600 — 800 руб. за 1 тонну, то это существенно ниже, чем стоимость микрокремнезема.