Природные каменные материалы, сырьё для производства строительных материалов

Казанский государственный  архитектурно строительный университет.

Кафедра строительных материалов.

Природные каменные материалы, сырьё  для производства строительных материалов.

                                                                      Разработал: Ахметзянов Ф.Ф.

                                                                                  Проверил: Камалова З. А

Казань 2011.

Содержание.

1. Введение.
2. Общие сведения о природных каменных материалов.
3. Свойства и состав базальта.
4. Технология производства.
5. Виды выпускаемых  строительных материалов.
6. Применение базальта в строительстве.
7. Перспективы развития данного материала.
8. Заключение.
9. Список использованных источников.

Введение.

Базальт – уникальный строительный и облицовочный материал природного происхождения.

Название произошло  от эфиопского слова «базал», что  значит «кипячённый», — базальты рождены  в жерлах вулканических аппаратов.

Горная порода базальт является эффузивным материалом, т.е. имеет вулканическое происхождение.

Базальты — самые  распространённые магматические породы на поверхности Земли, и на других планетах. Основная масса базальтов  образуется в срединно-океанических хребтах и формирует океаническую кору. Кроме того базальты типичны для обстановок активных континентальных окраин, рифтогенеза и внутриплитного магматизма.

Данная порода широко распространена и встречается практически  во всех уголках земного шара –  в тех местах, где находились древние вулканы. Месторождения располагаются в Западной Индии и в США в Кордильерах, на Гавайских островах (они полностью представляют собой базальтовые конусы) и в Австралии, а также в ряде районов Европы. Эту горную породу добывают на Алтае, в Армении и на Украине.

Горными породами называются простые и сложные природные  минеральные агрегаты, которые занимают значительные участки земной коры и  отличаются большим или меньшим  постоянством химического и минерального состава, структуры, а также определенными условиями залегания. Они слагают поверхностные слои земной коры мощностью около 15 ... 60 км и образуют естественные скопления ценного минерального сырья.

Свойства и  состав базальта.

Уникальные свойства базальта делают его одним из самых  востребованных строительных и облицовочных материалов.

 В первую очередь  отметим, что базальт негорючий. Таким образом, камень выдерживает температуру свыше 1500 градусов по Цельсию и используется в качестве противопожарной защиты. Работа  разрешена в присутствии с маслами, красками, в щелочной или кислотной среде.

Во-вторых, он прочен и  устойчив к механическим воздействиям, что позволяет изготавливать  из этого природного камня фундаменты, цоколи, лестницы и другие капитальные  конструкции.

Третье преимущество материала – высокие звукоизоляционные и теплоизоляционные свойства, поэтому пластины, полученные методом каменного литья, прекрасно подходят для внутренней и наружной отделки зданий: утепления пола и кровли, мансард и фасадов.

Кроме того, сделанные  из базальтов плиты обладают биологической стойкостью, то есть не подвержены гниению, влиянию бактерий и микроорганизмов; а также химической нейтральностью – устойчивы к влиянию агрессивных кислотных и щелочных сред, не накапливают радиацию. Не нужно говорить и об экологической чистоте материала –она абсолютно безвредна для человека и животных.

Состав. Базальты состоят  из кальциевого полевого шпата (основного  плагиоклаза, обычно лабрадорита) и  авгита или другого пироксена. Часто  присутствует оливин (оливиновые базальты). Основная масса порфировых разностей содержит лабрадорит, авгит и переменное количество вулканического стекла, которое может и отсутствовать (например, в долеритах – полнокристаллических базальтах). Измененные долериты называются диабазами.

Технология  производства.

Базальтовый щебень, как  однокомпонентное сырье для получения  базальтовых непрерывных волокон, должен вырабатываться на аттестованном  карьере, представительские образцы  которого прошли лабораторные и опытно-промышленные испытания с положительным результатом. Отбор сырья должно вестись селективно.

Сырьё из горных пород  представляет собой дробленные средние, основные и метаморфизированные  ультраосновные горные породы вулканического происхождения типа базальта: базальты, андезто-базальты, андезиты+, амфиболиты, диабазы, порфириты и другие (далее по тексту сырье). В сырье не должны содержаться посторонние примеси в виде металла, кварца, песчано-глинистых и других пород. Содержание зёрен размером менее 5 мм не должно превышать 10% по массе, содержание зёрен размером более 12 мм также не должно превышать 10% по массе.

УСТРОЙСТВО  ДЛЯ ВЫРАБОТКИ НЕПРЕРЫВНОГО ВОЛОКНА  ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО МАТЕРИАЛА, В ЧАСТНОСТИ  ИЗ БАЗАЛЬТА

Изобретение относится  к производству строительных материалов, в частности к устройству для получения непрерывного волокна из термопластичного материала, в частности из базальта, и может быть использовано на предприятиях по производству базальтового волокна. Техническим результатом изобретения является повышение производительности труда и повышение срока службы оборудования, а также повышение качества вырабатываемого базальтового волокна. Формующее устройство для получения волокна из базальта включает узел загрузки, плавильную и выработочную камеры, нагревательные элементы и вольерный питатель. В узле загрузки базальта вал дозатора выполнен с пазом, расположенным по винтовой линии, а угол наклона паза к оси вала дозатора составляет 15 - 30o, глубина паза равна 20 - 25 мм. Отношение площади плавильной камеры к площади выработочной камеры составляет 1 : 1,5, дополнительно в верхней части плавильной камеры установлено как минимум 5 цилиндров с шагом 250 - 300 мм. 1 ил.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится  к производству строительных материалов, в частности к устройству для  получения непрерывного волокна из термопластичного материала, в частности из базальта, и может быть использовано на предприятиях по производству базальтового волокна.

Известно устройство для выработки непрерывного волокна  из термопластичного материала (патент РФ 2126368, кл. С 03 В 37/06, 1999 г. - аналог), включающее загрузочное устройство, плавильную камеру, нагревательные элементы и фильерный питатель.

Недостатком данного  устройства является то, что имеющийся  в устройстве глубинный нагрев расплава затрудняет его осветление, в результате чего на поверхности образуется слой расплава с пониженной температурой, а это мешает формированию волокна и резко снижает производительность.

Наиболее близким к  предлагаемому изобретению по технической  сущности и достигаемому результату является формующее устройство для получения стеклянного волокна (патент РФ 2064902, кл. С 03 В 37/09, 1996 г. - прототип), включающее загрузочное устройство, плавильную и выработочную камеры, нагревательные элементы и фильерный питатель.

Однако данное формующее устройство характеризуется тем, что стабильность процесса формования волокон находится на неудовлетворительном уровне, что снижает в свою очередь производительность труда и оборудования, а также снижается качество выпускаемого волокна.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности труда и повышение срока службы оборудования, а также повышение качества вырабатываемого базальтового волокна.

Технический результат  достигается за счет того, что в  формующем устройстве для получения  волокна из базальта, включающее узел загрузки, плавильную и выработочную камеры, нагревательные элементы и фильерный питатель, причем в узле загрузки базальта вал дозатора выполнен с пазом, расположенным по винтовой линии, а угол наклона паза к оси вала дозатора составляет 15-30o, глубина паза равна 20-25 мм, отношение площади плавильной камеры к площади выработочной камеры составляет 1 : 1,5, дополнительно в верхней части плавильной камеры установлено как минимум 5 цилиндров с шагом 250 - 300 мм.

Устройство включает в себя: 1 - загрузчик; 2 - кожух; 3 - привод (не показан на схеме); 4 - вал дозатора; 5 - лоток; 6 - плавильная печь; 7 - электрод; 8 - тены ; 9 - горелка; 10 - фильерная пластина; 11 - валковая подача; 12 - устройство орошения; 13 - наматывающий аппарат.

Пример работы устройства для выработки непрерывного волокна  из термопластичного материала, в частности  из базальта.

Базальтовое сырье подается в бункер загрузчика 1, который содержит дозирующий вал 4 с пазом по винтовой линии, расположенным под углом 15-30o к оси вала. Конструктивное решение дозирующего вала 4, имеющего паз по винтовой линии, расположенный под углом 15-30o к оси вала, позволяет равномерно подавать базальтовое сырье в лоток. Если угол меньше 15o, то повышается давление стеклошариков друг на друга, а если угол наклона больше 30o, то увеличивается давление стеклошариков на стенки бункера загрузчика.

Далее базальт по лотку 5, с помощью которого можно регулировать количество подаваемого сырья в  печь, поступает в плавильную печь 6, где под действием тепловой энергии базальт расплавляется.

Печь имеет варочную и выработочную камеры. Для обеспечения  заданной производительности установки  площадь варочной части печи должна быть больше выработочной ее части  в 1,5-1,7 раза, т.е. отношение площади варочной части к выработочной составляет 1 : 1,5 - 1,7.

Если площадь варочной части печи меньше чем в 1,5 раза выработочной ее части, то базальтовое сырье не будет успевать расплавляться, что  приведет к снижению производительности или к аварийной ситуации, связанной с резким увеличением вязкости массы.

Если площадь варочной части больше чем в 1,7 раза ее выработочной части, то необоснованно увеличиваются  капитальные затраты и расход энергоресурсов для получения того же количества продукции.

Для ведения устойчивого процесса формования базальтового волокна в плавильной камере необходимо поддерживать постоянную температуру расплавленной массы как в верхней, так и в нижней ее части. Для этого в верхней части плавильной камеры устанавливаются дополнительно как минимум 5 тенов в виде цилиндров с шагом 250-300 мм. Если шаг между тенами будет меньше 250 мм, то не обеспечивается необходимая равномерность разогрева расплавленной массы, а если шаг между тенами будет больше 300 мм, то размещение нагревательных элементов невозможно из-за геометрических размеров самих тенов.

Для вытягивания базальтовых  нитей используется оборудование, включающее узел формования волокна в комплекте  с фильерным питателем, имеющим  фильерную пластину 10; валковое замасливающее  устройство, состоящее из валковой подачи 11 и устройства орошения 12; наматывающий аппарат 13.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для выработки  непрерывного волокна из термопластичного материала, в частности из базальта, включающее узел загрузки, плавильную и выработочную камеры, нагревательные элементы и фильерный питатель, отличающееся тем, что в узле загрузки базальта вал дозатора выполнен с пазом, расположенным по винтовой линии, причем угол наклона паза составляет 15-30o к оси вала, глубина паза равна 20-25 мм, отношение площади плавильной камеры к площади выработочной камеры составляет 1: 1,5, дополнительно в верхней части плавильной камеры, для поддержания одинаковой температуры как в верхней, так и нижней ее частях, установлено как минимум 5 тенов в виде цилиндров, расстояние между которыми 250-300 мм.

Теплоизоляционные материалы  из базальта:

Базальт – строительный материал, используемый для получения  щебня, брусчатки, штучного камня, для  облицовки сооружений и различных  литых деталей.

В конце XIX века в США  было начато промышленное производство волокна, состоявшего из базальтовых нитей (вата), получаемых раздуванием базальтового расплава.

Промышленное производство базальтовых минераловатных теплоизоляционных  изделий и конструкций получило широкое распространение в России во второй половине ХХ века.

Наиболее распространенными  плавильными агрегатами базальта стали  вагранки, позже ванные печи с газовым  нагревом, а также электротехнические установки с ультромалыми плавильными  ваннами, которые исключают возможность  извлечения из базальтового расплава металлов с высоким коэффициентом теплопроводности.

Эти плавильные агрегаты не могут обеспечить существенное увеличение производительности в минераловатном производстве при одновременном  улучшении качества.

Одним из перспективных  способов получения силикатного расплава является электроплавка в руднотермической электропечи, что связано с высоким уровнем интенсификации процессов плавления, гибкостью управления технологическим процессом, доведением модуля кислотности расплава до 2, а также возможностью полной автоматизации процесса.

Крупнейшим отечественным  производителем базальтового волокна  и изделий из него является ОАО  «Фирма Энергозащита», филиал – Назаровский  завод теплоизоляционных изделий  и конструкций (Назаровский завод  ТИиК в Красноярском крае).

В 1990 году на Назаровском  заводе ТИиК было организовано промышленное производство базальтового волокна  и изделий из него с использованием двух установок, каждая из которых состоит  из руднотермической электропечи для  плавки базальта мощностью 4,6 МВА производства фирмы Elkem и технологической линии для раздувки базальтового расплава и формирования теплоизоляционных изделий из получаемого раздувкой базальтового волокна.

Производительность каждой установки до 5 т/час расплава.

В настоящее время коллективом завода освоена широкая номенклатура изделий и конструкций на основе базальта, используемых в самых различных областях народного хозяйства, но наибольшее применение нашедших в строительстве и энергетике.

Качество продукции Назаровского завода ТИиК соответствует мировым стандартам и часто выше качества изделий признанных мировых производителей, т. к. в производстве используется только высококачественное базальтовое сырье без применения шлаков металлургического производства. Кроме того, на производстве сложился коллектив опытных высококлассных специалистов.

Применение материалов на основе базальтовых  волокон позволяет значительно  экономить энергетические ресурсы  и снижать стоимость строительства. Так, применение плиты из базальтового волокна толщиной 14 см по теплоизоляционным свойствам заменяет:

– сосновый брус толщиной 49 см;

– слой шлака толщиной 63 см;

– кирпичную кладку в 180 см.

Применение же 3-слойных панелей («сэндвич-панелей»), изготавливаемых  в заводских условиях, обеспечивает возможность дешево и быстро строить теплые здания различного назначения.

При строительстве Назаровский  завод ТИиК был ориентирован на удовлетворение нужд энергетики и промышленности.

В последние годы завод значительно  расширил ассортимент продукции  с одновременным повышением ее качества. В частности, освоена продукция широкого применения в жилищном строительстве. Эти изделия используются для утепления стен, потолков, подвалов как при новом строительстве, так и при реконструкции зданий.

Эти изделия выпускаются под  маркой «ТЕПЛИТ» и имеют следующие физические показатели:

– коэффициент теплопроводности при 25о С – 0, 041 Вт/мК;

– механическая прочность при сжатии и растяжении – 1, 0 кг/см2;

– гигроскопичность – изделие, полностью  помещенное на 2 часа в воду комнатной  температуры, остается практически сухим, поглощая не более 10–15 кг воды на 1 кубический метр.

Виды выпускаемых  строительных материалов.

Базальтовая пыль, используемая для производства антикоррозионных покрытий, по своим свойствам превосходящие  все ныне выпускаемые антикоры. Базальтовые антикоррозионные покрытия устойчивы во всех агрессивных средах, в том числе к щелочам и кислотам за исключением плавиковой. Такие антикоррозионные покрытия являются огнестойкими звуко- и теплоизоляционными. Особо широкое применение они должны найти в судостроении и автомобилестроении для защиты днищ автомобилей и кораблей.

На основе базальтовых волокон  развивается широкий ассортимент  теплозвукоизоляционных и звукопоглощающих материалов: прошивные маты, рулонная теплоизоляция, плиты, шнуры, картон, взамен асбестового и другие, плотностью от 20 до 200 кг/м3; коэффициентом теплопроводности от 0,0279 до 0,0337 Вт/(м К) при средней температуре 00С; коэффициент звукопоглощения 0,80-0,98 при частотах (200-1800) Гц.

Фильтрационные материалы: базальтоволокнистые фильтрующие маты гидротехнических дренажных систем с коэффициентом фильтрации 0,58-0,93 см/с, фильтры для очистки и стерилизации воздушных и газовых сред с коэффициентом фильтрующего действия от 0,681 до 0,912, эффективностью фильтрации до 990,99725%.

Конструкционные и армирующие материалы: базальтопластики листовые, профильные, трубы и тому подобное; мелкодисперсная  фибра, как армирующий заменитель асбестовых волокон и других композиционных материалов; крупнодисперсная фибра, заменитель металлической арматуры в строительных конструкциях на минеральных вяжущих; то же рулонные и пакетированные базальтоволокнистые армокаркасы; износостойкие детали (валы, шестерни); смазки.

Базальтовые чешуйчатые материалы, как  антикоррозионные покрытия; защитная посыпка рулонных кровельных материалов на битумной основе; теплоизоляционные, электроизоляционные и композиционные материалы.

В отечественной и зарубежной практике в качестве армирующего материала  для композиционных материалов, в  том числе и строительного назначения, применяются стеклянные непрерывные волокна, которые обладают высокой прочностью, устойчивостью к знакопеременным нагрузкам и тепловым ударам, коррозионной стойкостью, долговечностью.

Однако существенным недостатком  производства стеклянных непрерывных волокон следует считать необходимость использования шихты из дорогих в настоящее время материалов, таких как кварцевый песок, сода, сульфат натрия, борсодержащие компоненты и другие (стоимость одной тонны сырья более 900$).

В настоящее время имеется технология получения непрерывных волокон из базальтов. Непрерывные волокна получают одностадийным способом. Подготовка сырья сводится только к его дроблению до фракций 3-70 мм и магнитной сепарации. Стоимость сырья с доставкой, даже в очень удаленные места, не более 50 у.е/м3. Стоимость волокнистых материалов из базальта на основе грубых и тонких волокон, приблизительно от 0,1 до 1,5, непрерывного от 2,2 до 3,5$ за один килограмм.

Одним из видов волокон, которые  нашли применение в строительстве являются грубые волокна (фибра) со средним диаметром от 80 до 450 мкм. Искусственные каменные материалы, называемые бетонами, известны человечеству не одно тысячелетие. Характеризуясь высокой прочностью на сжатие, они, тем не менее, всегда имели одинаковую проблему - низкое сопротивление на разрыв и образование усадочных трещин при застывании. Большинство строителей часто сталкиваются с многочисленными проблемами при работе с бетоном, такими, как пыль, пластическая усадка и оседание, действие мороза (на раннем этапе). А при дальнейшей эксплуатации проявляются такие свойства, как низкая устойчивость к замерзанию/оттаиванию, слабое сопротивление удару, подверженность истиранию, высокое проникновение воды и химических веществ. Еще древние строители боролись с этим, вводя материалы, имеющие более высокую прочность и гибкость и повышающие однородность застывающего раствора. Египтологи утверждают, что сложный по составу бетон со следами шерсти, меда и других компонентов использовался еще при возведении пирамид, а спустя несколько тысячелетий в раствор для кладки Пятницкой церкви под Черниговым добавляли яичный белок, молоко и рубленую шерсть. Таким образом, использование волокон в качестве вторичного армирования имеет давнюю историю.

Контролировать образование трещин можно несколькими способами, например, вторичным армированием, которое в конструкционном бетоне осуществляется стальной арматурой, а в плитах покрытия - сварной проволочной сеткой или модифицированием вяжущего вещества при помощи полипропиленовых, стеклянных, базальтовых волокон, металлических волокон.

Последний способ более  прогрессивен. Он устраняет конструкционные  проблемы, связанные с использованием сварной проволочной арматуры в  перекрытиях, а также решает задачи ее размещения и позволяет сэкономить на приобретении металла. Например, полипропиленовое волокно может заменить сварную проволочную сетку, предотвращающую образование усадочных трещин в бетоне. У плиты, содержащей волокно, прочность к изгибу на 2% выше. В определенной дозировке волокно заменяет вторичное армирование и обеспечивает пластичность бетона, но не за меняетконструктивнуюстальнуюарматуру. Основные свойства волокна в качестве вторичного армирования - это контроль за пластическим оседанием и образованием усадочных трещин, равномерное выступание воды, повышенная устойчивость к истиранию, откалыванию и ударным воздействиям, пониженная проницаемость, повышенная долговечность в условиях замораживания-оттаивания, дисперсное армирование и уменьшение трудозатрат, химическая инертность и повышенное сцепление. Но полипропиленовое волокно имеет свои недостатки: деформацию даже при небольших нагрузках растяжения, оно стареет, то есть теряет свои свойства стечением времени, также оно горит при воздействии на него открытого пламени.

Структура бетона с применением  базальтовых волокон (базальтоцемента) близка к структуре, армоцемента с арматурой из стальных сеток. Однако базальтоцемент обладает более высокой прочностью и деформативностью, так как армирующий его базальт обеспечивает более высокую степень дисперсности армирования камня, и сам базальт обладает более высокой прочностью 18000-25000 кг/см2, чем стальная сетка. Кроме того, базальтоцемент может переносить большие упругие деформации потому, что базальтовое волокно при растяжении пластических деформаций не имеет, а по упругости превосходит сталь. При твердении цементного камня образуется агрессивная среда, которая разрушает поверхность волокна, образуя при этом раковины. Прочность волокна уменьшается на 10%, но за счет образовавшихся раковин прочность сцепления камня и волокна увеличивается, таким образом прочность самого изделия возрастает. При использовании толстых волокон (более 100 мкм.) их прочность не изменяется. Главными особенностями базальтоцемента являются его высокая прочность при всех видах напряженных состояний и способность переносить большие деформации в упругом состоянии. При этом относительная деформация цементного камня без образования трещин достигает 0,7-0,9%. Такая деформация в 35-45 раз превосходит предельное удлинение неармированного цементного камня. Значительное увеличение деформативности и прочности цементного камня происходит за счет устранения базальтовыми волокнами влияния концентрации напряжений в местах, ослабленных структурными дефектами цементного камня (раковинами, микротрещинами и т.п.)

Будучи химически инертным, базальтовое волокно не вступает в реакцию с солями или красителями, поэтому бетонные растворы с добавкой волокна применяются и при строительстве морских сооружений, и в архитектурном и декоративном бетонах. В дорожных покрытиях волокно предохраняет бетон и арматуру от проникновения антиобледеняющих солей и агрессивных веществ, а также повышает остаточную прочность и устойчивость к замораживанию-оттаиванию, повышает шероховатость поверхности.

Использование качественного  бетона со специальными добавками, включая моно волоконное армирование, обеспечивают стойкость к перепадам температур, защищая от разломов, трещин и отслаивания поверхности; исключает пластические и усадочные трещины; увеличивает долговечность поверхности, края и шва, также устойчивость к истиранию и ударам; обеспечивает раннюю прочность на сжатие, то есть прочность, которую обычный бетон приобретает только через 28 дней с момента укладки.

Область применения волоконного  армирования:

•Бетонные полы

• Взлетные полосы аэропортов

• Скоростные автодороги

• Промышленные полы в  цехах, где установлено тяжелое  оборудование

• Внутреннее армирование  тоннелей и каналов

• Укрепление склонов

• Ремонт и реконструкция  сооружений

• Покрытия металлических  поверхностей стальных сооружений

• Бетонные водные каналы

• Огнезащитные конструкции

• Военные сооружения

• Сейсмостойкие здания и сооружения

Преимущества бетона, армированного базальтовыми волокнами:

• Можно забыть о трудностях, связанных с установкой проволочной  сетки в тоннелях

• Снижается общая  стоимость строительства тоннелей

• Толщина бетонного  слоя может быть уменьшена до половины слоя из обычного бетона

• Сроки строительства  снижаются в связи с отсутствием  необходимости устанавливать проволочную  сетку

• В коллекторах и  подземных водных каналах толщина бетонного покрытия существенно снижается, а сроки строительства более короткие

• Волокна могут легко  смешиваться в передвижных бетоносмесителях или предварительно перемешиваться с бетонной смесью на бетонных заводах

• Необходимость в  армировании бетонных полов отпадает благодаря применению волокна, и в этом случае сроки строительства снижаются в два раза

• Стоимость ремонта  и обслуживания существенно снижается  благодаря долговечности бетона армированного волокном

• Увеличивается усталостная  прочность бетона, армированного базальтовым волокном

• Снижается ширина трещин, особенно важная в конструкциях, находящихся  в морской воде и доках

• При армировании  бетона, ударная прочность увеличивается  приблизительно в 20 раз

• Влияние армирования  бетона базальтовыми волокнами зависит от длины волокон и отношения длины к диаметру. Теоретически более длинные волокна и с большим отношением длины к диаметру лучше, чем более короткие. Однако длинные волокна уложить более трудно при торкретировании бетона, и они хуже распределяются в бетоне

• Волокна обеспечивают трехмерное упрочнение бетона по сравнению  с традиционной арматурой, которая  обеспечивает двухмерное упрочнение

• Волокна не подвержены электрохимической коррозии, в отличие  от обычной арматуры, которая является электрическим проводником и может испытывать катодный эффект.