Производство керамзито-бетонных блоков

Введение

      Керамзитобетонные блоки представляют собой стеновой материал, выполненный из легкого бетона, наполнителем в котором является керамзит (легкий пористый материал в виде гравия или щебня получаемый при обжиге легкоплавких глиняных пород), а в качестве вяжущего используется цемент.

      Керамзит  состоит только из глины –  натурального природного экологически  чистого материала. Все утеплители  со временем разлагаются, выделяя  в воздух токсичные вещества, опасные для человека. Керамзит  является  в этом смысле безопасным  на протяжении всего срока  службы.

      Преимущественное  производство мелких стеновых  блоков в нашей стране в  последние десятилетия было обусловлено  простотой и технологичностью  их конструктивного решения, низкой  трудоемкостью производства. Распространению  этой конструкции в определенной  степени способствовал ограниченный  объем производства высокоэффективных  теплоизоляционных материалов, также  высоко ценятся огнестойкость  (керамзит является негорючим  материалом), звукоизоляция и водостойкость.

      Развитие рыночных отношений в экономике страны вызвало резкий рост цен на энергоносители. В связи с этим встала задача экономии энергоресурсов, в том числе и снижения энергозатрат при эксплуатации зданий. Поэтому теплоизолирующие и экономически доступные строительные материалы, такие как керамзитный блок, стали активно использоваться для строительства.      

      Особую  популярность керамзитобетонные  блоки получили в таких странах,  как Голландия, Германия, Чехия.  Благодаря своей высокой экологичности они получили название – «экоблоки». За счет своей экологичности, прочности, дешевизны в производстве, архитектурной выразительности и адаптации к суровым климатическим условиям,  керамзитные блоки хорошо прижились и в России.

1. Основные сырьевые материалы для производства керамзитобетона

1.1 Перечень, состав и свойства сырьевых материалов

      Неорганическими,  или минеральными, вяжущими называют  порошкообразные вещества, которые  при затворении водой (а некоторые вещества - раствором соли, например, каустический магнезит) образуют пластичное тесто, твердеющее в результате физико-химических процессов и превращающееся в камень. Вяжущие вещества применяют для изготовления растворов, бетонов, бетонных и железобетонных изделий.

Вяжущие вещества

      Простые минеральные вяжущие - глина, известь, гипс - известны с давних времен. Впоследствии были найдены способы придания извести гидравлических свойств введением различных природных добавок.

Вяжущие характеризуются  сроками схватывания, минералогическим составом, тонкостью помола, маркой, равномерностью изменения объема при  твердении и др. Начало и конец  схватывания, марка вяжущего и некоторые  другие характеристики являются условными  физическими величинами и устанавливаются  ГОСТом для каждого вида вяжущих.

      Классификация  основных неорганических вяжущих, применяемых в строительстве, следующая:

• портландцементы - портландцемент, портландцемент пластифицированный, портландцемент гидрофобный, портландцемент быстротвердеющий, портландцемент сульфатостойкий, портландцементы белые и цветные, портландцемент расширяющийся, портландцемент для дорожных и аэродромных покрытий, шлакопортландцемент, шлакопортландцемент быстротвердеющий, портландцемент пуццолановый;
• цементы специального назначения - цемент глиноземистый, цемент гипсоглиноземистый расширяющийся, цемент щелочной алюмосиликатный, цемент шлакосиликатный, цемент фосфатный, кислотостойкий, цемент на основе серы;
• известь и цементы на ее основе - известь воздушная, известь гидравлическая, известково-шлаковый цемент, известково-пуццолановый и известково-зольный цементы, известково-нефелиновый цемент;
• магнезиальные вяжущие - магнезит каустический, доломит каустический;
• гипсовые вяжущие - гипс строительный, гипсоцементно-пуццолановые вяжущие, гипс высокообжиговый, фосфогипс.

Исходным сырьем для производства вяжущих являются мел, известняк, магнезит, доломит, гипс, мергели, бокситы, шлаки, глины, нефелиновый шлак, золы, пески  и др.

      Портландцементы  - самые распространенные цементы.  Их получают помолом клинкера, представляющий собой обожженный  до спекания состав, при температуре  около 1450 градусов. Он состоит  из тщательно дозированных смесей  материалов, содержащих углекислый  кальций, кремнезем и оксид  железа, например мергеля или  смесей известняка и глин. При  помоле к клинкеру добавляют  до 15% гидравлических добавок или  10% кварцевого песка, а для замедления  схватывания - до 3% двуводного гипса.

      По внешнему  виду портландцемент представляет  собой тонкомолотый порошок различных  оттенков. Основной цвет портландцемента  - серовато-зеленый.

      Для получения  портландцемента в основном используют  мергелистые породы, называемые  цементными, или натуральными. Так  как месторождения натуральных  мергелей встречаются редко, то  большей частью цементные заводы  работают на искусственных смесях, составленных из известняка и  глины или известняка и шлаков, золы, сланцев и др.

      Кроме основного  сырья, при производстве вяжущих используют различные добавки, придающие вяжущим необходимые свойства,- активные минеральные добавки: природные (осадочного и вулканического происхождения) и искусственные.

      К природным  добавкам осадочного происхождения  относят диатомиты и трепелы  - породы, содержащие главным образом  кремнезем в аморфном состоянии; опоки - уплотненные диатомиты и трепелы; глиежи - породы, образующиеся в результате самообжига при подземных пожарах в угольных пластах. К природным добавкам вулканического происхождения относят пеплы - породы, содержащие алюмосиликаты и находящиеся в природе в виде рыхлых, частично уплотненных отложений; туфы - уплотненные и сцементированные вулканические пеплы.

      Среди активных  добавок (искусственных) особая  роль принадлежит доменным основным  и кислым шлакам, на основе  которых получают шлакопортландцементы, известково-шлаковые и водостойкие гипсовые вяжущие; золе бурых углей, сланцев, на основе которых изготовляют местные цементы в смеси с известью, а также нефелиновому шламу (отход глиноземистого производства), так как они являются либо природными материалами, либо производственными отходами, не требующими для своего изготовления затрат топлива на обжиг; большинство добавок является местными материалами. Многие из них находятся в рыхлом или порошкообразном состоянии и не требуют размола.

      Иногда  для разбавления цементов или  их пластификации применяют добавки-наполнители  (тонкомолотые известняки, молотый  песок, глину и др.). В качестве  специальных добавок к цементам  при помоле клинкера применяют  пластификаторы (сульфитно-дрожжевая  бражка), гидрофобизаторы (мылонафт, асидол, кремнийорганические соединения - ГКЖ-94 и др.).

Вода

      Для приготовления  легких бетонов применяется вода, удовлетворяющая техническим условиям  для затворения обычного бетона. Она не должна содержать вредных примесей, препятствующих нормальному схватыванию и твердению вяжущих. Сточные воды, а также воды, загрязненные вредными для цемента примесями, имеющие рН менее 4 и содержание сульфатов в расчете на SO₄ более 1 % от веса воды, для затворения бетона не допускаются. Обычно все воды, пригодные для питья, пригодны для затворения бетона.

Совершенно необоснованно  в некоторых инструктивных положениях предъявляются к воде для изготовления легких бетонов требования в соответствии ее ГОСТ на питьевую воду. Применять  морскую воду для наружных стеновых элементов не рекомендуется, так  как на поверхности изделий могут  появиться солевые выцветы.

Заполнители

      ГОСТ 9757-61 «Заполнители пористые неорганические для легких бетонов» установлено, что по форме и характеру поверхности пористые заполнители подразделяются на следующие виды:

1) гравий, имеющий округлую  форму и относительно гладкую  поверхность;

2) щебень, получаемый: в результате  дробления и имеющий угловатую  (неправильную) форму и сильно  шероховатую поверхность;

3) песок округлой формы;

4) песок угловатой (неправильной) формы, получаемый в результате  дробления и рассева природных  или искусственных заполнителей.

      Керамзит. Керамзит представляет собой  легкий искусственный пористый  материал, получаемый вспучиванием  легкоплавких глинистых пород  путем их обжига. Это один из  наиболее эффективных заполнителей  для легких бетонов, имеющий  пористую структуру и оплавленную  плотную поверхность. Равномерная  мелкопористая структура внутренней  части зерна керамзита (пористость  до 70% и величина пор около 1 мм) обеспечивает хорошие теплозащитные  и звукоизоляционные свойства  керамзита и бетона на его  основе.

      По форме  и характеру поверхности зерна  керамзит можно разделить на  гравий, имеющий округлую (или редко  угловатую) форму и оплавленную  поверхность, и щебень, имеющий  угловатую неправильную форму  и сильно шероховатую, с открытыми  порами, ноздреватую поверхность.

По объемному насыпному  весу керамзит подразделяется на 12 марок; по прочности - на два класса А и Б.

      Керамзитовый гравий должен выдерживать не менее 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания в воде с потерей в весе при этом не более 8%. При кипячении в воде потеря в весе зерен керамзитового гравия из-за включений извести, высокого содержания окиси магния, недожога и других причин не должна превышать 5%. Так называемый коэффициент формы - отношение наибольшего размера зерна к наименьшему - не должен быть более 1,5, так как при Кф = 2 прочность керамзитобетона на этом заполнителе снижается на 27 %, а при Кф = 2,5 - на 34%. Поэтому количество отдельных гранул с коэффициентом формы зерен 2,5 не должно превышать 20%

Водопоглощение керамзитового гравия (по весу) в течение 1 ч должно быть не более 25% для гравия марок до 400 включительно, не более 20% для гравия марок от 450 до 600 включительно и не более 15% для гравия марок 700 и 800.

      Фракции  керамзита менее 5 мм независимо  от способа получения относятся  к песку и по крупности зерен  разделяются на:

• рядовой с размерами зерен до 5 мм;
• мелкий с размерами зерен менее 1,2 мм;
• крупный с размерами зерен от 1,2 до 5 мм.

При производстве керамзитового  гравия получается незначительное количество зерен менее 5 мм. Для получения  керамзитового песка обычно производят дробление керамзитового гравия фракций крупнее 40 мм на молотковых или валковых дробилках с рифлеными  валками.

      Необходимо  иметь в виду, что керамзитовый  песок, получаемый дроблением, обладает  большой адсорбцией по отношению  к воде и вяжущему. С другой  стороны, получение керамзитового  песка обжигом сырья в двух  барабанных печах, а также в  кипящем слое технологически  сложно при сравнительно большой  стоимости продукции.

1.2 Процесс изготовления  керамзитобетонной смеси

      Керамзитобетонная смесь приготовляется в смесителях принудительного перемешивания, не допускающих разрушения зерен керамзита и изменения их гранулометрического состава.

      Длительность  перемешивания зависит от виброукладываемости смеси и колеблется от 3 до 6 мин. Поскольку керамзитобетонная смесь быстро теряет удобоукладываемость, допускается выдерживание ее в форме после приготовления керамзитобетонной смеси до начала виброуплотнения не более 30 сек. При более длительном выдерживании увеличивается показатель виброукладываемости, а прочность керамзитобетона снижается.

      Дозировать  керамзит для приготовления керамзитобетонной  смеси нужно объемными дозаторами, при которых обеспечивается соблюдение  гранулометрического состава.

      Наиболее  легкими по весу получаются  бетоны, предельно уплотненные на  виброплощадках с пригрузом, когда достигается наилучшее сближение частиц заполнителя и наибольшая прочность при минимальном расходе цемента. Увеличение частоты колебаний виброплощадки не оказывает существенного влияния на скорость уплотнения керамзитобетона.

      Установлено,  что оптимальной для уплотнения  керамзитобетона является амплитуда  0,75 мм, а длительность вибрирования  не более 180 сек.

При формовании изделий в  вертикальных: формах применяются пластичные смеси (виброукладываемость до 15 сек). Однако применение керамзитобетона в формах типа кассет нежелательно из-за расслоения смеси и осаждения цементного теста в нижней части формы. Для более эффективного уплотнения керамзитобетонной смеси в последнее время рекомендованы резонансные виброплощадки с нелинейными горизонтальными колебаниями, при которых почти в 5 раз уменьшается расслаиваемость керамзитобетонной смеси, прочность оказывается значительно вышепроектной марки.

1.3 Способы производства или добычи сырьевых материалов

    Цементные заводы строятся, как правило, вблизи месторождений основных сырьевых материалов - известняка и глины. В этом случае уменьшаются транспортные затраты и отпадает необходимость создавать па заводе большие запасы сырья.

     Месторождения  сырья в цементной промышленности  чаще всего разрабатываются открытым  способом, при котором добыча  ведется непосредственно с поверхности  земли. Залежи известняка располагаются  обычно под слоем вскрышной  (пустой) породы, высота которой может  достигать 5 и более метров. Вскрышу,  которая чаще всего сложена  из землистых пород, удаляют  экскаваторами, бульдозерами, а также  в случае очень мягких, легко  размываемых пород, используют  гидромеханический способ. Обычно  вскрышные работы производят  на 6-10 месяцев раньше работ по  добыче сырья.

     Способ добычи  зависит от физико-механических  свойств сырья. Мягкие нескальные  породы добывают при помощи  экскаваторов, которые также используются  для погрузки на транспортные  средства скального сырья, измельченного  взрывом. В цементной промышленности  используют экскаваторы с ковшом  емкостью до 6 м3, производительность  которых при разработке мягких  пород достигает 400 м3/ч. В последнее  время для добычи мела и  глины применяют специальные  комбайны, производящие одновременную  добычу и размучивание сырья в шлам с влажностью 50-60%. В некоторых случаях мягкое сырье добывают гидромеханическим способом- размывают породы струей воды под давлением.

     Способы доставки  добытого сырья на завод зависят  от его свойств, способа добычи, рельефа местности, расстояния  от карьера до завода и других  факторов.

     Когда мягкие  породы добывают гидромеханическим  способом, приготовляют сырьевой  шлам в карьере, используя гидротранспорт. При сильно пересеченной местности  между карьером и заводом рекомендуется  транспортировать сырье с помощью воздушно-канатных дорог. Если карьер расположен на расстоянии менее 8 км от завода, рационально использовать автомобильный транспорт, или расстояние больше 10 км сырьё транспортируют по железной дороге, при расстоянии до 6-8 км применяют ленточные транспортеры.

     Бесперебойная  работа основных технологических  цехов цементного завода обеспечивается  созданием па территории завода  запасов сырьевых материалов.

      Разгружают  сырьевые материалы с помощью  различных средств механизации:  кранов, оборудованных грейферными  ковшами, специальных разгрузочных  механизмов, скреперов, бульдозеров,  разгрузочных эстакад. Выбор механизмов  и схемы организации разгрузочно-погрузочных  работ и складских операций  определяется величиной грузопотока  и видами транспортных средств  доставки грузов.

     На цементных  заводах большой мощности для  разгрузки сыпучих материалов  с открытых транспортных средств применяют разгрузчики. Материал с их помощью сгребают или захватывают и затем передают на систему ленточных конвейеров, укладывающих его в штабель.

     С открытых  платформ материал разгружают  скребковым разгрузчиком. Платформа  медленно продвигается над приемным  бункером и одновременно с  нее в бункер сгребается материал  при помощи скребка, совершающего  возвратно-поступательное движение. Из приемного бункера материалы  посредством одного или системы  ленточных конвейеров передаются  на склад.

     При очень  больших грузопотоках применяют  стационарные опрокидыватели вагонов.  При опрокидывании вагона материал  ссыпается в приемный бункер, откуда затем подается на склад.  Склады обычно организуют общими  бункерами, но обеспечивающими  раздельное хранение всех сырьевых  материалов не только по их  видам, но и по качеству. В  некоторых случаях гипс и гидравлические добавки хранят отдельно. Как правило, твердое и жидкое топливо размещают на специальных складах.

     Склад сырьевых  материалов представляет собой  железобетонную эстакаду шириной  до 30 м и длиной, определяемой  потребной емкостью склада. По  эстакаде перемещается мостовой  кран, оборудованный грейферным  ковшом. Кран захватывает материал  и перемещает его в соответствующий  отсек склада. Краном также подают  материал па переработку. Для  защиты от атмосферных осадков  склады делают закрытыми.

     На многих  цементных заводах устраивают  силосные склады, на которых хранят  дробленые и сухие материалы  (клинкер, добавки, гипс). Силосы, представляющие собой вертикальные  железобетонные емкости круглого  сечения, разгружают весовыми  дозаторами. Материал из силосов  подается непосредственно в мельницу. Для силосных складов требуются  небольшие производственные площадки, они отличаются высокой степенью  механизации и позволяют автоматизировать  все транспортные операции.

2. Технология производства  керамзитобетона

2.1 Основные способы производства керамзитобетонных стеновых панелей 

      Рассмотрим две технологические линии по производству стеновых панелей: стендовую и конвейерную.

Конвейерное производство - усовершенствованный поточно-агрегатный способ формования наружных стеновых панелей. При конвейерном способе  технологический процесс расчленяется на элементные процессы, которые выполняются  одновременно на отдельных рабочих  постах.

При конвейерном способе, формы с изделиями перемещаются от одного поста к другому специальными транспортными устройствами, каждое рабочее место обслуживается  закреплённым за ним звеном. Для  конвейера характерен принудительный режим работы, т.е. одновременное  перемещение всех форм по замкнутому технологическому кольцу с заданной скоростью. Весь процесс изготовления стеновых панелей разделяется на технологические операции, причём одна или несколько из них выполняются  на определённом посту.

Тепловые агрегаты являются частью конвейерного кольца и работают в его системе также в принудительном режиме (ритме). Это обуславливает  одинаковые или кратные расстояния между технологическими постами (шаг  конвейера), одинаковые габариты форм и развёрнутую длину тепловых агрегатов.

Оборудование конвейеров рассчитано на изготовление определённого  вида изделий.

Конвейерный способ обеспечивает высокую степень механизации  и автоматизации производства, эффективное  использование производственных площадей.

К недостаткам этого способа  относят сложность оборудования и трудность переналадки на выпуск изделий другого вида.

При стендовом производстве изделия формуют в стационарных формах и твердеют они на месте  формования. Стендовые технологические  линии целесообразно использовать для изготовления крупноразмерных, особенно предварительно-напряженных  изделий, которые неэффективно изготовлять  на поточно-агрегатных или конвейерных  линиях.

2.2 Агрегато-поточный способ производства керамзитобетонных стеновых панелей

      Агрегатно-поточный  способ изготовления конструкций  характеризуется расчленением технологического  процесса на отдельные операции  или их группы; выполнением нескольких  разнотипных операций на универсальных  агрегатах; наличием свободного  ритма в потоке; перемещением  изделия от поста к посту;  формы и изделия переходят  от поста к посту с произвольным  интервалом, зависящим от длительности  операции на данном рабочем  месте, которая может колебаться  от нескольких минут (например, смазка форм) до нескольких часов  (пост твердения отформованных  изделий). Агрегатно-поточный способ  отличается также тем, что формы  и изделия останавливаются не  на всех постах поточной линии,  а лишь на тех, которые необходимы  для данного случая. Агрегатно-поточный  способ организации производства  характеризуется возможностью закрепления  за одной поточной линией изделий,  различных не только по типоразмерам, но и по конструкции. Эта  возможность создается наличием  на поточной линии универсального  оборудования.

      Межоперационная  передача изделий на таких  линиях осуществляется подъемно-транспортными  и транспортными средствами. Для  ускоренного твердения бетона  при агрегатно-поточном способе  обычно применяются камеры периодического  или непрерывного действия. Небольшой  объем каждой секции камеры  позволяет затрачивать минимум  времени на загрузку и выгрузку  изделий, а большое число таких  секций создает условия для  непрерывной подачи отформованного  изделия в камеру твердения.  Агрегатно-поточная технология отличается  большой гибкостью и маневренностью  в использовании технологического  и транспортного оборудования, в  режиме тепловой обработки, что  важно при выпуске изделий  большой номенклатуры.

Рис. 1. Технологическая схема  агрегатно-поточного производства панелей покрытий 3 х 6 м с двумя формовочными постами:

1 — мостовой кран; 2 — бетоноукладчик; 3 — виброплощадка; 4 — формоукладчик; 5 — самоходная тележка для вывоза готовых изделий; 6 — тележка-прицеп; 7 — установка для электротермического натяжения стержней; 8 — камеры пропаривания;   9 — стенд для контроля и ремонта изделий; 10 — стенд для сборки утеплённых панелей; 11 — раздаточный бункер; 12 — формы; 13 — сварные арматурные сетки; 14 — площадка складирования готовой продукции.

3. Виды готовой продукции, ее назначение и области применения

3.1 Характеристика готового вида продукции

      По своему назначению и физико-техническим свойствам керамзитобетон разделяется на теплоизоляционный, теплоизоляционно-конструктивный и конструктивный.

      Теплоизоляционный  керамзитобетон в сухом состоянии  имеет объемный вес 300-900 кг/м³ и коэффициент теплопроводности до 0,2 ккал/м*ч*град.

К теплоизоляционному керамзитобетону, не предъявляются требования высокой прочности и его низкий объемный вес целиком зависит от качества керамзита.

      Для получения  теплоизоляционного керамзитобетона  с малым объемным весом можно  использовать керамзит наиболее  крупных и легких фракций (20--40 мм и более), обжигаемый по специальному  режиму, обеспечивающему усиленное  вспучивание гранул и образование  крупных пор. Объемный вес такого  керамзита достигает 150-200 кг/м³. Из него получают крупнопористый керамзитобетон с объемным весом 350-400 кг/м3 и пределом прочности при сжатии до 10 кГ/см².

      Теплоизоляционно-конструктивный  керамзитобетон имеет марки 35, 50, 75, и объемный вес его колеблется  от 700 до 1 400 кг/м³.

Повышенная прочность  по сравнению с теплоизоляционным  керамзитобетоном при невысоком  коэффициенте теплопроводности (до 0,5 ккал/м*ч*град) позволяет применять  этот керамзитобетон в ограждающих  конструкциях зданий. Однако к нему предъявляются требования морозостойкости (до 25 циклов замораживания и оттаивания для зданий I категории - см. главы СНиП П-А.1.1, И.Б.2.2, II-B.4, СН 35-68). ГОСТ 11024-64 на керамзитобетонные панели нормирует морозостойкость керамзитобетона, которая должна быть для наружных стеновых панелей не ниже Мрз 25, для цокольных панелей - не ниже Мрз 35.

      Конструктивный  керамзитобетон имеет высокую  прочность и сравнительно небольшой  объемный вес и применяется  в сооружениях, в которых необходимо облегчить несущую конструкцию. Его объемный вес до 1 700 кг/м, прочность при сжатии до 400 кГ/см².

      Конструктивный  керамзитобетон может быть армирован  обычной или предварительно напряженной  арматурой (в последнем случае  марка керамзитобетона не должна  быть менее 200). Для изготовления  стеновых панелей конструктивный  керамзитобетон не применяется.

3.2 Область применения готовой продукции

      В России существуют заводы крупноразмерных  изделий, изготовляемых из легких бетонов. Применение бетонов, таких как керамзитобетон, позволяет снизить вес зданий и конструкций до 30% и достигнуть ряда положительных технико-экономических показателей. Легкие бетоны на пористых заполнителях стали основным материалом ограждающих конструкций и особенно стеновых наружных панелей и блоков.

Домостроительных комбинаты  используют для изготовления крупноразмерных  изделий легкие бетоны на пористых заполнителях. Легкобетонные изделия  широко применяются в жилищном, промышленном и сельскохозяйственном строительстве, а также отчасти в мостостроении.

Ведущее место в производстве искусственных пористых заполнителей занимает керамзит. Практика показывает, что сейчас имеется возможность, применив добавки, выпускать керамзиты с заданными свойствами. Наибольшее применение после керамзита найдут шлаковая пемза (в металлургических районах), аглопорит (в районах, где отсутствуют вспучивающиеся глины), природные пористые заполнители  и вспученный перлит.

Опыт крупнопанельного строительства  подтвердил, что легкий бетон — наиболее подходящий материал для крупнопанельных наружных ограждающих конструкций. В крупнопанельном строительстве используются архитектурно-планировочные решения, обеспечивающие посемейное заселение жилых домов бескаркасной конструкции высотой 5 и более этажей. Господствующая конструктивная схема — с панельными перекрытиями, опирающимися по контуру на несущие перегородки, — лучше всего отвечает конструктивным качествам легких бетонов на пористых заполнителях.