Технология заполнителей

Введение

     Заполнители - природные или искусственные  материалы, определенного зернового  состава, которые в рационально  составленной смеси с вяжущим  веществом и водой образуют бетон.

     Заполнители составляют в бетоне до 80% объема и, следовательно, позволяют резко  сократить расход цемента или  других вяжущих, являющихся наиболее дорогой  составной частью бетона. Цементный  камень при твердении претерпевает объемные деформации. Усадка его достигает 2 мм/м. Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринимает усадочные напряжения и уменьшает усадку обычного бетона. Легкие пористые заполнители уменьшают плотность бетона и его теплопроводность, делают возможным применение такого бетона в ограждающих конструкциях, для теплоизоляции. Специальные особо тяжелые и гидратные заполнители делают бетон надежной защитой от проникающей радиации.

     Таблица 1 

     Классификация заполнителей

     /2/

      Некоторые глины при обжиге вспучиваются. Это  явление использовано для получения  из глин пористого материала –  керамзита. По внешнему виду керамзит напоминает гравий, то есть представляет собой гранулы преимущественно  округлой или овальной формы различного размера, поэтому часто его называют керамзитовый гравий. И получают керамзит главным образом в виде керамзитового  гравия. Структура пористая, ячеистая. На поверхности его часто имеется  более плотная корочка. Цвет керамзитового  гравия обычно темно-бурый, в изломе – почти черный.

      Процесс изготовления керамзита состоит  из следующих основных операций: добычи глинистого сырья, его складирования  и доставки к месту производства; переработки сырья и приготовления  исходного полуфабриката-сырца, пригодного для обжига со вспучиванием; обжига и охлаждения керамзита; сортировки и при необходимости домола заполнителя; складирования и выдачи готового продукта.

        В технологическом процессе изготовления  керамзита наблюдаются два явления:  при резком тепловом ударе,  подготовленной специальным образом  глины, она вспучивается, чем достигается  высокая пористость материала,  а внешняя поверхность быстро  оплавляется, что придает материалу  достаточно высокую прочность  и устойчивость к внешним воздействиям  и создает почти герметичную  оболочку. Поэтому качество керамзита  во многом определяется точностью  исполнения технологического процесса. Сущность технологического процесса  производства керамзита состоит  в обжиге глиняных гранул по  оптимальному режиму.

      Вспучивание глины при обжиге связано с  двумя процессами: газовыделением и  переходом глины в пиропластическое состояние.

      Оптимальным считается ступенчатый режим  термообработки по С. П. Онацкому: с  постепенным нагревом сырцовых гранул до 200 – 600 ⁰С (в зависимости от особенности сырья) и последующим быстрым нагревом до температура вспучивания (примерно 1200 ⁰С).

      Обжиг осуществляется во вращающихся печах  представляющих собой цилиндрические металлические барабаны диаметром  до 2,5 – 5 м и длиной до 40 – 75 м, футерованные изнутри огнеупорным кирпичом. Печи устанавливаются с уклоном примерно 3 % и медленно вращаются вокруг своей оси. Благодаря этому сырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении постепенно передвигаются к другому концу барабана, где установлена форсунка для сжигания газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы перемещаются навстречу потоку горячих газов, подогреваются и, наконец, попав в зону непосредственного воздействия огненного факела форсунки, вспучиваются. Среднее время пребывания гранул в печи – примерно 45 мин.

     В зависимости от режима обработки  глины можно получить керамзит различной  насыпной плотности (объемным весом) - от 200 до 400 кг/ м³ и выше. Чем ниже плотность вещества, тем он более пористый, а значит, обладает более высокими теплоизоляционными свойствами. Но тем сложнее при производстве получить необходимую прочность. Материал также характеризуется величиной керамзитовых гранул, которая колеблется от 2 до 40 мм, и в зависимости от их размера подразделяется на фракции, например 5-10 мм или 10-20 мм. Основываясь на размерах, продукцию делят на керамзитовые гравий, щебень и песок.

      Гравий - это частицы округлой формы диаметром 5 - 40 мм, получаемые вспучиванием легкоплавких глин. Он морозоустойчив, огнестоек, не впитывает воду и не содержит вредных примесей. Керамзитовый щебень - это наполнитель произвольной формы (преимущественно угловатой) с размерами частиц 5 - 40 мм. Он получается путем дробления кусков вспученной массы керамзита. Керамзитовый песок - наполнитель с размерами частиц 0,1 - 5 мм. Его получают при обжиге глинистой мелочи во вращающихся или шахтных печах, отсевом из общей массы или путем дробления более крупных кусков керамзита.

      Анализ  теплоизоляционных и механических свойств керамзита позволяет  использовать этот материал на российском и зарубежном рынке для теплоизоляции  крыш, полов и стен, фундаментов  и подвалов, как заполнитель для  производства бетонных и железобетонных изделий. Установлено, что рациональное использование керамзита в качестве теплоизолирующего материала при  строительстве обеспечивает сокращение теплопотерь более чем на 75 %.

     Необходимо  особенно отметить такое важное свойство керамзита как экологическая  чистота материала. Ведь состав керамзита - это только глина и ничего более. Таким образом, керамзит - абсолютно  безопасный, природный материал, сродни керамике. Отличие керамзита лишь в том, что при быстром обжиге глина вспучивается. Полученный таким  образом гравий не горит, не тонет  в воде, не слеживается, не подвержен  гниению и обладает теплоизоляционными свойствами. На него, как и на любой  глиняный сосуд не воздействует время. И в тоже время этот материал безопасен  для человека и природы. /2/ 
 
 
 
 

   1. Номенклатура выпускаемой  продукции

   Выбор номенклатуры заключается в назначении марок пористого заполнителя  и его фракционного состава. Он определяется данными лабораторных и промышленных испытаний сырья, опытом действующих  предприятий.

   Для каждой фракции устанавливают расчетную  марку. Данные по номенклатуре сведены  в таблицу 2. 

                                                                                                                                 Таблица 2

   Фракционный состав заполнителя.

/4/ 
 
 

   Технические требования

   Искусственные пористые гравий, щебень и песок (далее  гравий, щебень и песок) следует изготовлять  в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическим регламентам, утвержденным в установленном порядке.

   Гравий  и щебень изготовляют следующих  основных фракций:

   от 5 до 10;

   от 10 до 20;

   от 20 до 40 мм.

   По  согласованию изготовителя с потребителем допускается изготовление гравия и  щебня от 2,5 до 10 мм и смеси фракций от 5 до 20 мм и для теплоизоляционных засыпок - от 5 до 40 мм.

   Зерновой  состав гравия и щебня каждой фракции  должен соответствовать указанному в таблице 3.

                                                                                                                                 Таблица 3

   Зерновой  состав 

   Примечание. D, d - соответственно наибольший и наименьший номинальные диаметры контрольных сит. 

           В гравии и щебне фракции от 2,5 до 10 мм и смеси фракций от 5 до 20 мм содержание зерен размером от 5 до 10 мм должно быть от 25 до 50% по массе.

          Предельные значения марок по насыпной плотности для различных видов пористых гравия, щебня и песка должны соответствовать данным, приведенным в таблице 4. При этом фактическая марка по насыпной плотности не должна превышать максимального значения, а минимальные значения приведены в качестве справочных.

                                                                                                                                 Таблица 4

   Предельные  значения марок по насыпной плотности 

   Примечание. Допускается по согласованию изготовителя с потребителем для приготовления конструкционных легких бетонов классов В20 и выше изготовление керамзитового гравия и щебня марок 700 и 800.

   В зависимости  от прочности, определяемой испытанием в цилиндре, гравий и щебень подразделяют на марки по прочности, приведенные  в таблице 5. 

                                                                                                                                 Таблица 5

   Марки керамзита по прочности 

   Примечание. Соотношение между маркой заполнителя по прочности и прочностью при сдавливании в цилиндре допускается уточнять на основании испытания в бетоне по ГОСТ 9758.

   Марки по прочности гравия и щебня в  зависимости от марок по насыпной плотности должны соответствовать  требованиям таблице 6.

                                                                                                                                 Таблица 6 

   Марки по прочности гравия и щебня в  зависимости от насыпной плотности 

   Примечание. Для теплоизоляционных засыпок допускается выпускать гравий и щебень с маркой по прочности ниже, чем указано в таблице, но не менее марки П15.

   Гравий  и щебень должны быть морозостойкими и обеспечивать требуемую марку  легкого бетона по морозостойкости. Потеря массы после 15 циклов попеременного  замораживания и оттаивания не должна превышать 8%.

   В гравии, щебне и песке, применяемых в  качестве заполнителей для армированных бетонов, содержание водорастворимых  сернистых и сернокислых соединений в пересчете на SO(3) не должно превышать 1% по массе.

   Структура аглопоритового гравия и щебня и  шлакопемзового щебня должна быть устойчивой против силикатного распада. Потеря массы при определении стойкости  против силикатного распада должна быть, %, не более:

   5 - для  шлакопемзового щебня;

   8 - для  аглопоритовых гравия и щебня.

   Потеря  массы при кипячении должна быть, %, не более:

   5 - для  керамзитового гравия и щебня;

   4 - для  шунгизитового гравия.

   Потеря  массы при прокаливании должна быть, %, не более:

   3 - для  аглопоритовых гравия и щебня;

   5 - для  аглопоритового песка;

   8 - для  аглопоритовых гравия, щебня и  песка из зал ТЭЦ.

   Содержание  слабообожженных зерен должно быть, % по массе, не более:

   5 - для  аглопоритовых гравия и щебня;

   3 - для  керамзитового песка, полученного  в печах кипящего слоя.

   На  гравий и щебень, применяемые для  теплоизоляционных засыпок, требования пп.1.3.5.-1.3.10 не распространяются.

   Гравий, щебень и песок, предназначенные  для приготовления теплоизоляционных  и конструкционно-теплоизоляционных  легких бетонов, должны подвергаться периодическим  испытаниям на теплопроводность.

   Щебень, гравий и песок в зависимости  от значения суммарной удельной эффективной  активности естественных радионуклидов  А_эфф применяют:

   - во  вновь строящихся и реконструируемых  жилых и общественных зданиях  при А_эфф до 370 Бк/кг;

   - при  возведении производственных зданий  и сооружений при А_эфф свыше 370 Бк/кг до 740 Бк/кг.

   При необходимости  в национальных нормах, действующих  на территории государства, величина удельной эффективной активности естественных радионуклидов может быть изменена в пределах норм, указанных выше. /5/ 
 
 

   2. Характеристика сырья  и требования ГОСТов  к нему 
 
 

   Сырьем  для производства керамзита служат глинистые породы, относящиеся в  основном к осадочным горным.  Некоторые камнеподобные глинистые породы – глинистые сланцы, аргиллиты – относят к метаморфическим.

   Глинистые породы отличаются сложностью минералогического  состава и кроме глинистых  материалов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.) содержат кварц, полевые  шпаты, карбонаты, железистые, органические примеси. Глинистые минералы слагают  глинистое вещество – наиболее дисперсную часть глинистых пород (частицы  мельче 0,005 мм). Собственно глинами называют глинистые породы, содержащие более 30% глинистого вещества.

   Глинистые породы должны отвечать следующим основным требованиям (требования ГОСТа 25264-82 к  химическому, физическому составу  глинистого сырья):

   - вспучиваться при температуре  не ниже 1250 ⁰С при интервале вспучивания не ниже 50 ⁰С;

     Вспучиваемость  характеризуется коэффициентом  вспучивания 

              где V_к – объем вспученной гранулы керамзита; V_с – объем сухой              

              сырцовой гранулы  до обжига.

     Коэффициент вспучивания можно определить также  по формуле

где - плотность сухой сырцовой гранулы; - плотность вспученной гранулы керамзита; П_п – потеря в массе сухой сырцовой гранулы при прокаливании, %. 

   - содержать песчаных и пылеватых  частиц не более 30%, а отдельных  окислов – FeO+Fe₂O₃ не менее 4 - 6%, СаО не более 5-6%, МgО 4%, SiO₂ 50-65%, Al₂O₃ 10-25% и свободного кремнезема не более 25%;

   -  должны отсутствовать частицы  карбонатов кальция и магния  крупнее 0,2 мм;

   - содержать органические примеси в пределах 1-2%, однако в некоторых случаях недостаток их может быть восполнен соответствующими жидкими добавками (нефтяные продукты и отходы).

   Пригодность сырья для производства керамзита  устанавливают испытаниями в  два этапа: лабораторными и, при их положительных результатах, заводскими.

   На  лабораторных испытаниях, помимо макроскопического  описания (однородность цвета, характер структуры, наличие включений и  др.), определяют следующие показатели испытуемой представительной (геологической) пробы глинистого сырья:

   -карьерную  влажность, наличие каменистых (в  том числе карбонатных) включений,

   - химический состав (в том числе  содержание щелочей и органических  примесей),

   - гранулометрический состав,

   - пластичность,

   - огнеупорность,

   - вспучиваемость в природном виде  и с добавками,

   - интервал вспучиваемости,

   - объемный вес гранул керамзита  в куске. 

   В заводских условиях уточняют способ переработки сырья и приготовления  полуфабриката (зерен, гранул), устанавливают  необходимые для этого оборудование, а также параметры термической  обработки первой ступени и обжига полуфабриката.

 Таблица  7

Требования  ГОСТа 25264-90 к химическому составу  глинистого сырья

Таблица 8

Требования  к сырью для производства керамзитового  гравия

   Основные  виды добавок. По способам применения и воздействия на процессы керамзита образования различают:

   - корректирующие добавки, вводимые  в состав глинистого сырья;

   - добавки–опудриватели, используемые  для обволакивания (опудривания)  сырцовых гранул перед вспучиванием.

   Основные  технические требования к добавкам представлены в таблице 9. 
 
 
 
 

   Таблица 9

   Основные  технические требования к добавке.

   Критериями  при выборе корректирующих добавок  для снижения насыпной средней плотности  керамзита являться химический состав глинистого сырья и содержание, а  органических добавках – летучих, в  минеральных железистых составляющих.