Заполнители бетона . Щебень

1. Введение.

Заполнители бетона – природные или искусственные сыпучие каменные материалы. Занимая в бетоне 80-85% его объема, заполнители образуют жесткий скелет бетона, уменьшая усадку и предотвращая образование усадочных трещин. Заполнители  бетона применяют в виде природного песка (мелкий заполнитель), щебня из изверженных и осадочных горных пород, природного гравия и щебня из гравия. А искусственные составляющие изготавливают из промышленных и других отходов производства, в результате переработки природных минеральных сырьевых материалов.

Классификация заполнителей — производится по следующим признакам:

1. По наибольшему размеру зерен (кусков) — мелкие заполнители (пески) с зернами крупностью до 5 мм и крупные заполнители (гравий, щебень), состоящие из кусков крупностью от 5 до 150 мм;
2. По характеру формы зерен различают: заполнители, имеющие угловатую (неправильную) форму, получаемые дроблением (щебень, песок из отсевов дробления и др.); заполнители, имеющие округлую форму зерен (гравий, природный песок и др.).
3. По происхождению — природные, образовавшиеся в результате разрушения горных пород (природный песок, гравий) или полученные путем дробления и рассева горных пород (песок, щебень); искусственные, подразделяемые на отходы промышленности (металлургические и топливные шлаки, бой обыкновенного глиняного кирпича, шамота, металлический скрап и другие) и специально изготовляемые (керамзит, аглопорит, шлаковая пемза, вспученный перлит и другие);
4. По насыпной плотности в сухом состоянии: тяжелые — песок плотностью более 1200 кг/ м³ и крупные заполнители плотностью более 1000 кг/ м³ ; пористые — мелкий заполнитель с насыпной плотностью песка менее 1200 кг/ м³ и крупные — плотностью менее 1000 кг/ м³ ;
5. По назначению — для бетонов (крупные и мелкие заполнители) и для растворов (только мелкие заполнители). [1]

Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и оказывают  влияние на свойства бетона, его  долговечность и стоимость. Введение в бетон заполнителей позволяет резко сократить расход цемента, являющегося наиболее дорогим и дефицитным компонентом. Кроме того, заполнители улучшают технические свойства бетона.

Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает  прочность и модуль деформации бетона, уменьшит деформации конструкций под нагрузкой, а также ползучесть бетона — необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Заполнитель уменьшает усадку бетона, способствуя получению более долговечного материала. Усадка цементного камня при его твердении достигает 1 ... 2 мм/м. Из-за неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и даже микротрещины.

Заполнитель воспринимает усадочные напряжения и в несколько  раз уменьшает усадку бетона по сравнению  с усадкой цементного камня.                                   

В специальных бетонах (жаростойких, для защиты от радиации и др.) роль заполнителя очень  высока, так как его свойства во многом определяют специальные свойства этих бетонов.

Пористые естественные и искусственные заполнители, обладая малой плотностью, уменьшают плотность легкого бетона, улучшают его теплотехнические свойства.

К легким заполнителям относятся  такие материалы как: керамзит, аглопорит, шлаковая пемза, гранулированный шлак, вспученный перлит и так далее.            В данной курсовой работе проектируется технологическая линия керамзитового завода.

Керамзит — лёгкий пористый строительный материал, получаемый путём обжига легкоплавкой глины. Имеет форму овальных гранул.

  Керамзит имеет  высокие теплоизоляционные свойства и применяется, как правило, в качестве пористого наполнителя для легких бетонов, не обладающий серьезной альтернативой. Возведенные стены из керамзитобетона обладают высокими санитарно-гигиеническими характеристиками и долговечны. Сооружения и здания их керамзитобетона, построенные больше 50 лет, эксплуатируются до сих пор. [3]

Он так же может  использоваться для обустройства теплых полов или просто засыпаться под  деревянные полы, кроме того, он может  служить основой под бетонную стяжку, а утрамбованный керамзитовый песок под укладку паркета. Есть еще один немаловажный момент при строительстве малоэтажных зданий с использованием керамзита - в данном материале не живут грызуны.

Использование этого  материала приобретает особое значение в условиях нашего неустойчивого климата и повышенной влажности, так как он погодоустойчив, огнестоек, не разрушается при замораживании и не подвержен гниению. Благодаря этим свойствам, рекомендуется использовать керамзитовый гравий для отсыпки фундамента, что позволит сократить глубину залегания фундамента с 1,5 м до 0,8 м, предотвращая при этом промерзание грунта вокруг фундамента, а, следовательно, и перекос конструкций здания (рамы, двери и т.п.). Для этого керамзит засыпают с внешней стороны по периметру ленточного фундамента на глубину 250 мм под бетонную стяжку.

Керамзит может быть использован не только в условиях строительства, но и как фильтрующий  материал, увеличивающий производительность фильтроцикла в 2,5-3,5 раза. [6]

Используется для утепления водопроводных и тепловых сетей; Всем хорошо известно, сколько проблем, особенно в зимнее время, могут создать аварии водопроводных и тепловых сетей. Многих из этих проблем можно избежать, используя керамзит в качестве засыпки при их утеплении. Преимущества керамзитового гравия заключаются в том, что свойства этого материала не только облегчают доступ к месту аварии, но позволяют использовать его повторно после устранения аварийного прорыва тепловых или водопроводных сетей. [4]

В зависимости от режима обработки глины можно получить керамзит различной насыпной плотности (объемным весом) — от 200 до 400 кг/м³ и выше.

Новая технология производства керамзита позволяет снизить  себестоимость продукции за счет использования в его производстве золоотвалов энергетических предприятий и различного рода углеиспользующих установок. Таким образом, решается еще и очень важная экологическая проблема утилизации золы. [6]

 
Сырьевая смесь для производства керамзита включает в свой состав тугоплавкую золу электростанций и  технологическую добавку. В качестве добавки используется специально разработанный пластификатор флюсующий газовыделяющий (ПФГ), представляющий собой гомогенную коллоидную суспензию из трех ингредиентов: торфяной гель, общераспространенные суглинки и известняковые отсевы щебеночного производства.

Кроме того, сырьевая смесь  не предъявляет высоких качественных требований к исходным составляющим компонентам, а обжиг готовых  гранул не отличается от технологии обжига стандартного керамзита. 
Такая технология позволяет использовать в производстве керамзита до 90% золы.  
Таким образом, получение керамзита по новой технологии является экономически выгодным и экологически необходимым с точки зрения утилизации золы, а качество готовой продукции не уступает стандартной, а по некоторым показателям даже превосходит ее. [6]

В данной курсовой работе проектируется технологическая линия завода по производству керамзитного гравия производительностью120 тыс. м³ в год.

2.Ассортимент  продукции.

Продукцией проектируемого завода является керамзитовый гравий.

 ГОСТ 9757-90 [7] предусматривает  следующие фракции керамзитового  гравия по крупности зерен: 5...10, 10...20, 20...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. 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.

Зерновой состав песка  должен соответствовать указанному в табл. 1.  

                                                                                                     Таблица 1

В песчано-щебеночной смеси крупностью зерен до 10 мм содержание щебня фракции  от 5 до 10 мм должно быть не более 50% по объему.

В зависимости от насыпной плотности гравий, щебень и песок  подразделяют на марки, приведенные  в табл. 2.  

                                                                                             Таблица 2 

Предельные значения марок по насыпной плотности для различных видов пористых гравия, щебня и песка должны соответствовать приведенным в табл. 3. При этом фактическая марка по насыпной плотности не должна превышать максимального значения, а минимальные значения приведены в качестве справочных.  

                                                                                               Таблица 3

Для каждой марки по насыпной плотности стандарт устанавливает  требования к прочности керамзитового  гравия при сдавливании в цилиндре и соответствующие им марки по прочности (табл.4). Маркировка по прочности позволяет сразу наметить область рационального применения того или иного керамзита в бетонах соответствующих марок. Более точные данные получают при испытании заполнителя в бетоне

                                                                                                                                   Таблица 4

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. 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 SO₃ не должно превышать 1 % по массе. Потеря массы при кипячении должна быть 5%, не более. Содержание слабообожженных зерен должно быть 3 % по массе, не более.

   Гравий, щебень  и песок должны быть приняты  техническим контролем предприятия-изготовителя. Гравий, щебень и песок принимают партиями .Партией считают количество гравия и щебня одной фракции и одной марки по насыпной плотности и прочности, одновременно отгружаемое одному потребителю в одном железнодорожном составе, но не более 300 м³. Партией считают количество песка одной группы и марки по насыпной плотности, одновременно отгружаемое одному потребителю, но не более 300 м³. При отгрузке автотранспортом партией считают количество материала, одновременно отгружаемое одному потребителю в течение суток.

Соответствие качества гравия, щебня и песка требованиям  стандарта устанавливают по данным входного, операционного и приемочного контроля. Результаты входного, операционного и приемочного контроля должны быть зафиксированы в соответствующих журналах лаборатории, ОТК или других документах. Порядок проведения, объем и содержание входного и операционного контроля устанавливают в соответствующей технологической документации. Приемочный контроль осуществляют в соответствии с требованиями настоящего стандарта путем проведения периодических и приемосдаточных испытаний.

Зерновой состав гравия, щебня и песка, прочность, насыпную плотность, влажность, морозостойкость, потери массы гравия и щебня при кипячении, прокаливании, силикатном распаде, содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений, количество слабообожженных зерен в песке, гравии и щебне, теплопроводность гравия и щебня определяют по ГОСТ 9758, удельную активность естественных радионуклидов - гамма-спектрометрическим методом по ГОСТ 30108. [9]

 Гравий, щебень и  песок транспортируют навалом в открытых железнодорожных вагонах и автомашинах в соответствии с утвержденными в установленном порядке Правилами перевозок грузов соответствующими видами транспорта. Гравий и щебень следует хранить раздельно по фракциям и маркам по насыпной плотности и прочности, песок - по маркам. При хранении гравий, щебень и песок не должны подвергаться засорению.

                            3. Сырье,  топливо, состав массы.

3.1 Сырье для производства  керамзита.

 Глинистые породы из категории осадочных горных – сырье для производства керамзита. Камнеподобные глинистые породы, такие как глинистые сланцы, аргиллиты, относятся к метаморфическим.  Глинистые породы помимо глинистых минералов содержат кварц, полевые шпаты, карбонаты, железистые органические примеси. В производстве керамзита используют в основном монт-мориллонитовые и гидрослюдистые глины, которые содержат не более 30% кварца.  Подходит глинистое сырье для производства керамзита или нет, определяют при специальном исследовании его свойств.

 Основное требование  — вспучивание при обжиге. Считается,  что коэффициент вспучивания  глинистого сырья при производства  керамзита должен иметь значение  не менее 2 (лучше не менее  3—4).

Еще одно требование к  сырью — легкоплавкость. 1250 °С –  допустимая максимальная температура  обжига, при которой переход мелких глинистых частиц в расплав способствует размягчению и повышению вязкости массы. В противном случае газы, образующиеся во время обжига глины, не удерживаемые массой, свободно выйдут и не смогут вспучить материал.

Третье важнейшее требование — необходимый интервал для вспучивания. Под чем понимается разница между  возможной температурой обжига и  начала вспучивания сырья. Та температура, при которой уже получается керамзит с плотностью гранулы 0,95 г/см, является температурой начала процесса вспучивания. При первом оплавлении поверхности гранул фиксируется значение предельно возможной температуры обжига.

  Превышение температуры  при производстве керамзита не допускается, так как поверхность гранул оплавляется, а оплавленные гранулы склеиваются, что уменьшает выход керамзитового гравия и может привести к остановке печи. Температура обжига должна быть ниже, но чем она ниже, тем меньше коэффициент вспучивания, меньше выход продукции. Поэтому температура должна поддерживаться на предельно допустимом уровне. Чтобы обеспечить практическую возможность производства керамзита в промышленных условиях, интервал вспучивания сырья должен быть не менее 50⁰С.

 Гранулометрический состав .

   Частицы крупнее 0,01 мм предоставлены в глинах преимущественно кварцем при незначительном содержании слюды, полевых шпатов и некоторых других первичных минералов. Среди частиц размером 0,01 -0,005 мм в различных соотношениях содержится кварцев, слюда, полевые шпаты и некоторые другие первичные минералы. Фракции 0,005 – 0,0005 мм слагаются в различных соотношениях, почти целиком из различных вторичных материалов группы монтмориллонита, гидрослюдных глинистых минералов, каолинита и других. Частицы менее 0,0005 мм, как правило, целиком сложены из вторичных тонкодисперсных материалов.[11] 

Все минералы, входящие в состав полиминеральных  легкоплавких глин, можно подразделить на первичные и вторичные.

   К первичным относят минералы: кварц, полевые шпаты, слюды, роговые обманки, доломит, титанит, магнетит и другие; ко вторичным – минералы, образовавшиеся в процессе выветривания, переотложения и преобразования различных пород, в первую очередь глинообразующие минералы группы монтмориллонита, гидрослюд, гидрохлорита, вермикулита, каолинита, а также водные оксиды алюминия, оксиды и гидрослюды железа и многие другие.

Допустимые пределы  колебаний основных показателей  свойств глинистых пород для  производства керамзитового гравия следующие: [15]

Коэффициент вспучивания  К_В  ( Не менее 2 )

Интервал вспучивания, °С  ( Не менее 50 )

Температура вспучивания, °С   ( Не более 1250 )

Диоксид кремния SiO₂, % по массе  ( 46,2-70 )

В том числе кварц SiO_2своб  ( 10-30 )

Сумма оксидов алюминия и титана (А1₂О₃+TiO₂),% по массе ( 10-25 )

Сумма оксидов железа FеО+Fе₂О₃, % по массе ( 2,5-10 )

Оксид кальция СаО, % по массе ( 0,55-4,6 )

Оксид магния МgO % по массе ( 2,49 - 5,5 )

Сумма соединений серы в пересчете  на SО₃ % по массе ( до 1,5 )

Сумма оксадов калия и натрия К₂О+Na₂O, % по массе ( 1,5—6,5 )

Органические вещества, % по массе ( до 1-2 )

Пластичность (число пластичности), % по массе ( Не менее 15 )

Для производства керамзита наиболее пригодны монтмориллонитовые и гидрослюдистые глины, содержащие не более 30% кварца.

     3.2. Добавки.

Все добавки служат для повышения качества керамзита и улучшения   производственных факторов изготовления керамзита. Введенные добавки помогают улучшить качество природного глиняного сырья. Если дополнить глину 1% мазута, увеличится коэффициент вспучивания. Также можно добавить соляровое масло и другие органические вещества.В последнее время применяется большое разнообразие добавок к керамзитовому глинистому сырью.Например,  использования глинистого некондиционного сырья путем добавления в его состав стеклопорошка из специально сваренных легкоплавких стекол. Добавка ведет к ускорению накопления жидкой фазы во время обжига. Если золы или шлаки вводят большими дозами, сравнимыми с расходом глинистого сырья, то полученный керамзит называют глинозольным или глиношлаковым. Чаще добавки вводят в небольших дозах, а основное сырье для производства керамзитового гравия – глинистые породы. Для того, чтобы расширить температурный интервал вспучивания используется такой прием, как опудривание глиняных сырцовых гранул порошком огнеупорной глины. Данный прием позволяет увеличить температуру обжига, а также избежать оплавления гранул. При использовании добавок часто увеличивается коэффициент вспучивания исходного сырья примерно в 2—3 раза, увеличивается и выпуск керамзита, снижается себестоимость, керамзитобетон повышает свое качество в итоге, поэтому мельчайшие изменения в составе сырья могут значительно отразиться на стоимости.                                                                                          В качестве сырья для производства керамзитового гравия на проектируемом заводе применяется глина Малоступинского месторождения. По содержанию включений сырье является малозасоренным. По размерам, преобладающих включений глина относится к сырью с мелкими и средними включениями. По гранулометрическому составу сырье относится к низкодисперсному.  В зависимости от степени спекания глина относится к группе неспекающихся с водопоглощением 7-14%. Огнеупорность глины 1050^оС. 
 Малоступкинская глина относится к разряду легкоплавких глинистых пород.

  Химический состав глины Малоступкинского месторождения глины  приведен в таблице 5.    [12]                                                                                                                                        

                                                                                                          Таблица 5

Химический состав глины Малоступкинского месторождения, масс % .

 Число пластичности глины 8-12 %, температурный интервал вспучивания глинистого сырья без добавок или с их применением (28,5 С), коэффициент вспучивания сырья без добавок или с их применением (2,5), удельная активность смеси естественных радионуклидов для глинистого сырья (1,0), естественная влажность (25%). Данная глина по всем своим показателям полностью пригодна для производства керамзитового гравия. В качестве добавок на проектируемом заводе используются пиритные огарки и мазут. Добавку пиритных огарков в количестве 2—4% от общей массы вводят для увеличения газотворной способности глин при получении керамзита. Этому способствуют распад в огарках при 700— 800 °С остатков пирита с образованием сернистого газа и восстановление оксидов железа под влиянием органических примесей, присутствующих в глинистом сырье, с выделением углекислого газа. Железистые соединения, особенно в закисной форме, действуют как плавни, вызывая разжижение расплава и уменьшение температурного интервала изменения его вязкости. Содержание органических веществ (в пересчете на твердый углерод) по отношению к оксиду железа должно составлять 0,01—0,2. Если в исходном керамзитовом сырье содержится оксидов железа менее 7%, а органических веществ — менее 1%, то пиритные огарки вводят в комплексе с органическими добавками, что способствует снижению средней плотности керамзита.

3.3. Состав массы.

Основным сырьем для производства керамзита является легкоплавкая глина. При необходимости в неё вводят различные добавки, для упрощения технологического процесса производства керамзита, например чтобы снизить температуру вспучивания гранул можно добавить в формовочную массу небольшое количество пиритных огарков (2-4%), а для увеличения коэффициента вспучивания – мазут (1%). В данной работе принимаем такой состав формовочной массы: Глина – 95% . Пиритные огарки – 4%. Мазут – 1%.

3.4. Топливо.

Для обжига керамзита  применяют газообразное или жидкое топливо: первое в виде природного или городского газа с теплотой сгорания около 21000-35700 кДж/м³, второе в виде мазута и иногда солярового масла с теплотой сгорания около 37800-420000 кДж/кг. Жидкое топливо сперва подогревают в мазутохранилищах до 40-45 ⁰С, что на 5-10 ⁰С превышает температуру его застывания, а перед поступлением в печь – в питательных баках до 75-90 ⁰С. Для сжигания мазута применяют комбинированные воздушно-механические мазутные форсунки. Для сжигания газообразного топлива применяют газовые горелки. При газообразном топливе легче поддерживать необходимую температуру и характер пламени. Газообразное топливо ещё отличается от жидкого и твердого рядом преимуществ, важнейшими из которых являются: легкое, удобное регулирование процесса горения и возможность полной механизации и автоматизации его, простота топливного хозяйства и оборудования; отсутствие золы при сжигании; лучшие санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала.

В состав газообразного  топлива входят горючая часть и балласт. Горючая часть представляет собой механическую смесь простейших горючих газов, таких как водород, метан, пропан, бутан и других газообразных углеводородов. Балластом являются негорючие газы, в том числе углекислый газ СО₂, азот N₂ и кислород О₂. При добыче газа в его составе имеются также водяные пары, смолистые вещества, минеральная пыль. Однако перед подачей газа потребителям его очищают, в результате чего содержание примесей сводится к минимуму.

В данной работе по техническим показателям используем топливо Угорского месторождения.

                         Состав влажного (рабочего) газа, об% [12]

                                                                                                            Таблица 2.6.

Теплота сгорания газа:  /5/.

           4. Выбор способа и технологической схемы производства.

   Существуют  четыре способа производства керамзита: сухой, пластический, порошково-пластический и мокрый и четыре основныхе технологические схемы подготовки сырцовых гранул.         

 · ПЛАСТИЧЕСКИЙ способ. При пластическом способе глинистое сырьё увлажняется в глиномешалках и отправляется на шнековые ленточные прессы или дырчатые вальцы, где из них формируют сырцовые гранулы в цилиндрической формы, которые во время транспортировки и последующей обработки окатываются, скругляются, после чего попадают в печь.   Качество сырцовых гранул во многом определяет качество готового керамзита. Поэтому целесообразна тщательная переработка глинистого сырья и формирование плотных гранул одинакового размера. Размер гранул задается исходя из требуемой крупности керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэффициента вспучивания.

   Перерабатывающее  оборудование выбирают в зависимости  от физико-механических свойств  глин: их влажности и дисперсности. Энергозатраты на переработку  возрастают с повышением дисперсности  сырья и уменьшением его влажности.  Обычно формовочная влажность глин находится в пределах 18...28 %.

   Гранулы с влажностью  примерно 20 % могут сразу направляться  во вращающуюся печь или, что  выгоднее, предварительно подсушиваться  в сушильных барабанах, в других  теплообменных устройствах с  использованием теплоты отходящих дымовых газов вращающейся печи. При подаче в печь подсушенных и подогретых гранул ее производительность может быть повышена.

   Таким образом,  производство керамзита по пластическому  способу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует значительных капиталовложений. Однако переработка глинистого сырья с разрушением его естественной структуры, усреднение, гомогенизация, а также возможность улучшения его добавками позволяют увеличить коэффициент вспучивания.

 · СУХОЙ способ используют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Сухой способ – самый простой. Он используется при сухом камнеподобном сырье. Оно дробится, затем отсеиваются крупные куски, которые отправляются на дополнительное дробление. Затем сырьё попадает в печь для обжига. Этот способ оправдывает себя, если исходная порода однородна, не содержит вредных включений и характеризуется достаточно высоким коэффициентом вспучивания. Влажность сырцовой крошки не должна превышать 9 %.

· МОКРЫЙ (ШЛИКЕРНЫЙ) Мокрый, или шликерный способ производства керамзита используется, если карьерная глина чересчур влажная. Глина смешивается с водой в специальных глиномешалках, затем эта пульпа подаётся во вращающиеся печи. В печи размещают завесу из цепей, которые нагреваются и подсушивают пульпу, а затем разбивают её на гранулы. Влажность получаемой пульпы (шликера, шлама) – примерно 50 %. Пульпа насосами подается в шламбассейны и оттуда – во вращающиеся печи. В этом случае в части вращающейся печи устраивается завеса из подвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими из печи газами и подсушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на гранулы, которые окатываются и вспучиваются. Этот способ рекомендуется при высокой карьерной влажности глины, когда она выше формовочной (при пластическом формовании гранул). Он может быть применен также в сочетании с гидромеханизированной добычей глины и подачей ее на завод в виде пульпы по трубам вместо применяемой сейчас разработки экскаваторами с перевозкой автотранспорта.