Технология керамзита

Порошково-пластический способ отличается от пластического тем, что вначале помолом сухого глинистого сырья получают порошок, а потом из этого порошка при добавлении воды получают пластичную глино-массу, из которой формуют гранулы, как описано выше. Необходимость помола связана с дополнительными затратами. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Но в ряде случаев этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомогенизировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их легче равномерно распределить; если в сырье есть вредные включения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная переработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество оправдывают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в разведении глины в воде в специальных больших емкостях -- глиноболтушках. 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, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа -- повышенный расход топлива, связанный с большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются достижение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка. 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 автотранспортом.

Керамзит, получаемый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимо охладить. Установлено, что от скорости охлаждения зависят прочностные свойства керамзита. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна могут растрескаться или же в них сохранятся остаточные напряжения, которые могут проявиться в бетоне. С другой стороны, и при слишком медленном охлаждении керамзита сразу после вспучивания возможно снижение его качества из-за смятия размягченных гранул, а также в связи с окислительными процессами, в результате которых FeO переходит в Fe2O3, что сопровождается деструкцией и снижением прочности.

Рисунок 4 Схема технологическоко процесса производства керамзита

Сразу после вспучивания желательно быстрое охлаждение керамзита до температуры 800-900°С для закрепления структуры и предотвращения окисления закисного железа. Затем рекомендуется медленное охлаждение до температуры 600-700°С в течение 20 мин для обеспечений затвердевания стеклофазы без больших термических напряжений, а также формирования в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. Далее возможно сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. Затем керамзит охлаждается воздухом в барабанных, слоевых холодильниках, аэрожелобах.

Для фракционирования керамзитового гравия используют грохоты, преимущественно барабанные -- цилиндрические или многогранные (бураты).

Внутризаводской транспорт керамзита -- конвейерный (ленточные транспортеры), иногда пневматический (потоком воздуха по трубам). При пневмотранспорте возможно повреждение поверхности гранул и их дробление. Поэтому этот удобный и во многих отношениях эффективный вид транспорта керамзита не получил широкого распространения.

Фракционированный керамзит поступает на склад готовой продукции бункерного или силосного типа.

2.2 Сущность технологического процесса

Сущность технологического процесса производства керамзита состоит в обжиге глиняных гранул по оптимальному режиму. Для вспучивания глиняной гранулы нужно, чтобы активное газовыделение совпало по времени с переходом глины в пиропластическое состояние. Между тем в обычных условиях газообразование при обжиге глин происходит в основном при более низких температурах, чем их пиропластическое размягчение.



1--загрузка сырцовых гранул; 2-- вращающаяся печь; 3-- форсунка; 4-- вспученный керамзитовый гравий; 5--поток горячих газов

Рисунок 5 Схема вращающейся печи для производства керамзита

Например, температура диссоциации карбоната магния -- до 600°С, карбоната кальция -- до 950 °С, дегидратация глинистых минералов происходит в основном при температуре до 800 °С, а выгорание органических примесей еще ранее, реакции восстановления окислов железа развиваются при температуре порядка 900 °С, тогда как в пиропластическое состояние глины переходят при температурах, как правило, выше 1100 °С.

В связи с этим при обжиге сырцовых гранул в производстве керамзита необходим быстрый подъем температуры, так как при медленном обжиге значительная часть газов выходит из глины до ее размягчения и в результате получаются сравнительно плотные маловспученные гранулы. Но чтобы быстро нагреть гранулу до температуры вспучивания, ее сначала нужно подготовить, т. е. высушить и подогреть. В данном случае интенсифицировать процесс нельзя, так как при слишком быстром нагреве в результате усадочных и температурных деформаций, а также быстрого парообразования гранулы могут потрескаться или разрушиться (взорваться).

Оптимальным считается ступенчатый режим термообработки по С. П. Онацкому: с постепенным нагревом сырцовых гранул до 200--600 °С (в зависимости от особенностей сырья) и последующим быстрым нагревом до температуры вспучивания (примерно 1200 °С).

Обжиг осуществляется во вращающихся печах (рис.), 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.

а)кривая обжига керамзита; б)-схема барабанной печи:1- загрузка полуфабриката, 2-первая секция барабана для предварительной тепловой подготовки, 3- вторая секция для вспучивания , 4- барабанный холодильник.

Рисунок 6 Схема двухбарабанной вращающейся печи обжига керамзита

Чтобы обеспечить оптимальный режим термообработки, зону вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке, иногда отделяют от остальной части (зоны подготовки) кольцевым порогом. Применяют также двухбарабанные печи, в которых зоны подготовки и вспучивания представлены двумя сопряженными барабанами, вращающимися с разными скоростями.

В двухбарабанной печи удается создать оптимальный для каждого вида сырья режим термообработки. Промышленный опыт показал, что при этом улучшается качество керамзита, значительно увеличивается его выход, а также сокращается удельный расход топлива. В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого сырья для производства керамзита сравнительно мало, при использовании средне- и слабовспучивающегося сырья необходимо стремиться к оптимизации режима термообработки.

Из зарубежного опыта известно, что для получения заполнителей типа керамзита из сырья (промышленных отходов), отличающегося особой чувствительностью к режиму обжига, используют трехбарабанные вращающиеся печи или три-четыре последовательно располагаемые печи, в которых обеспечиваются не только оптимальные скорость и длительность нагрева на каждом этапе термообработки, но и различная газовая среда.

Некоторые глины при обжиге вспучиваются. Например, при производстве глиняного кирпича один из видов брака-- пережог -- иногда сопровождается вспучиванием. Это явление использовано для получения из глин пористого материала -- керамзита.

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

Источниками газовыделения являются реакции восстановления окислов железа при их взаимодействии с органическими примесями, окисления этих примесей, дегидратации гидрослюд и других водосодержащих глинистых минералов, диссоциации карбонатов и т. д. В пиропластическое состояние глины переходят, когда при высокой температуре в них образуется жидкая фаза (расплав), в результате чего глина размягчается, приобретает способность к пластической деформации, в то же время становится газонепроницаемой и вспучивается выделяющимися газами.

Значение характера газовой среды в производстве керамзита обусловлено происходящими при обжиге химическими реакциями. В восстановительной среде окись железа Fe2O3 переходит в закись FeO, что является не только одним из источников газообразования, но и важнейшим фактором перехода глины в пиропластическое состояние. Внутри гранул восстановительная среда обеспечивается за счет присутствия органических примесей или добавок, но при окислительной среде в печи (при большом избытке воздуха) органические примеси и добавки могут преждевременно выгореть. Поэтому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, как правило, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения, согласно которой целесообразно получать высокопрочный керамзитовый гравий с невспученной плотной корочкой. Такая корочка толщиной до 3 мм образуется (по предложению Северного филиала ВНИИСТ) при выгорании органических примесей в поверхностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.

При производстве керамзита следует стремиться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья для получения высокопрочного заполнителя имеется много, а хорошо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличие плотной корочки значительной толщины на керамзитовом гравии свидетельствует о недоиспользовании способности сырья к вспучиванию и уменьшении выхода продукции.

В восстановительной среде зоны вспучивания печи может произойти оплавление поверхности гранул, поэтому газовая среда здесь должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающихся гранулах поддерживается восстановительная среда, обеспечивающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхность гранул не оплавляется.

Характер газовой среды косвенно, через окисное или закисное состояние железистых примесей, отражается на цвете керамзита. Красновато-бурая поверхность гранул говорит об окислительной среде (Fe2O3), темно-серая, почти черная окраска в изломе -- о восстановительной (FeO).

Различают четыре основные технологические схемы подготовки сырцовых гранул, или четыре способа производства керамзита: сухой, пластический, порошково-пластический и мокрый.

Сухой способ используют при наличии камнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые сланцы). Он наиболее прост: сырье дробится и направляется во вращающуюся печь. Предварительно необходимо отсеять мелочь и слишком крупные куски, направив последние на дополнительное дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходная порода однородна, не содержит вредных включений и характеризуется достаточно высоким коэффициентом вспучивания.

Наибольшее распространение получил пластический способ. Рыхлое глинистое сырье по этому способу перерабатывается в увлажненном состоянии в вальцах, глиномешалках и других агрегатах (как в производстве кирпича). Затем из пластичной глиномассы на дырчатых вальцах или ленточных шнековых прессах формуются сырцовые гранулы в виде цилиндриков, которые при дальнейшей транспортировке или при специальной обработке окатываются, округляются.

Качество сырцовых гранул во многом определяет качество готового керамзита. Поэтому целесообразна тщательная переработка глинистого сырья и формование плотных гранул одинакового размера. Размер гранул задается исходя из требуемой крупности керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэффициента вспучивания.

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 тепла отходящих дымовых газов вращающейся печи. При подаче в печь подсушенных гранул ее производительность может быть повышена.

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

Порошково-пластический способ отличается от пластического тем, что вначале помолом сухого глинистого сырья получают порошок, а потом из этого порошка при добавлении воды получают пластичную глиномассу, из которой формуют гранулы, как описано выше. Необходимость помола связана с дополнительными затратами. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется его сушка перед помолом. Но в ряде случаев этот способ подготовки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомогенизировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их легче равномерно распределить; если в сырье есть вредные включения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная переработка сырья приводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его более высокое качество оправдывают произведенные затраты.

Мокрый (шликерный) способ заключается в разведении глины в воде в специальных больших емкостях -- глиноболтушках. 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, окончательно высыхают, нагреваются и вспучиваются. Недостаток этого способа -- повышенный расход топлива, связанный с большой начальной влажностью шликера. Преимуществами являются достижение однородности сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка. 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 автотранспортом.

Керамзит, получаемый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимо охладить. Установлено, что от скорости охлаждения зависят прочностные свойства керамзита. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна могут растрескаться или же в них сохранятся остаточные напряжения, которые могут проявиться в бетоне. С другой стороны, и при слишком медленном охлаждении керамзита сразу после вспучивания возможно снижение его качества из-за смятия размягченных гранул, а также в связи с окислительными процессами, в результате которых FeO переходит в Fe2O3, что сопровождается деструкцией и снижением прочности.

Сразу после вспучивания желательно быстрое охлаждение керамзита до температуры 800--900 °С для закрепления структуры и предотвращения окисления закисного железа. Затем рекомендуется медленное охлаждение до температуры 600--700 °С в течение 20 мин для обеспечений затвердевания стеклофазы без больших термических напряжений, а также формирования в ней кристаллических минералов, повышающих прочность керамзита. Далее возможно сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких минут.

Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. Затем керамзит охлаждается воздухом в барабанных, слоевых холодильниках, аэрожелобах. Для фракционирования керамзитового гравия используют грохоты, преимущественно барабанные -- цилиндрические или многогранные (бураты).

Внутризаводской транспорт керамзита -- конвейерный (ленточные транспортеры), иногда пневматический (потоком воздуха по трубам). При пневмотранспорте возможно повреждение поверхности гранул и их дробление. Поэтому этот удобный и во многих отношениях эффективный вид транспорта керамзита не получил широкого распространения. Фракционированный керамзит поступает на склад готовой продукции бункерного или силосного типа.

3. ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КЕРАМЗИТА

3.1 Основные положения по контролю качества керамзита

НИИкерамзитом разработаны основные положения по контролю качества керамзита. Под техническим контролем качества подразумевается совокупность операций по обеспечению выпуска продукции высокого качества при оптимальных технико-экономических показателях его производства, что достигается, во-первых, поддержанием процесса производства на заданном технологической картой уровне и, во-вторых, совершенствованием процесса производства путем сбора и анализа данных о качестве сырья и продукции, технологических параметрах, установления связи между ними, составления новых принципов ведения процесса на основе вскрытых закономерностей.

В зависимости от места организации технический контроль подразделяется на входной контроль - контроль глинистого сырья, добавок, технологического топлива, огнеупоров и других материалов, поступающих на производство; операционный контроль - контроль качества материалов и технологических параметров в ходе производства; приемочный контроль - контроль качества продукции после завершения всех технологических операций по ее изготовлению.

Операционный контроль, в свою очередь, делится на оперативный, осуществляемый обслуживающим персоналом, и технологический, осуществляемый службами ОТК и заводской лабораторией.

Оперативный контроль выполняется на отдельных переделах и включает визуальный осмотр качества материалов, контроль по приборам за работой основного технологического оборудования. Информация оперативного контроля обеспечивает поддержание процесса на заданном уровне, она позволяет обслуживающему персоналу управлять агрегатами в соответствии с требованиями технологических карт.

Технологический контроль выполняется, главным образом, с целью постоянного сбора информации о режимах производства, о качестве перерабатываемого материала и готовой продукции. Полученная информация используется для разработки рекомендаций по совершенствованию технологического процесса.

Для повышения надежности принятия решения о необходимости регулирования процесса обжига оперативный контроль может выполняться с помощью контрольных карт, являющихся носителями статистической информации о состоянии технологического процесса.

3.2 Параметры качества керамзита

Международная служба стандартизации (ISO) рекомендует следующие виды нормативных документов:

1. Стандарты.

2. Технические условия (ТУ), в зависимости от вида и сложности продукции, разрабатывают конструктора. Более сложные изделия разрабатывают ТУ, НИИ и испытательные лаборатории

3. Своды правил.

4. Регламенты и технические регламенты.

5. Положения.

3.2.1 Стандарты

Это нормативный документ разработанный на основе общего согласия (консенсуса), утвержденный признаным в стране органом стандартизации, направленный на достажение оптимальной степени упорядочения в определенной области деятельности.

В стандарте устанавливаются общие принципы, правила и характеристики, касающиеся конкретных видов деятельности или видов продукции, а также результатов этой деятельности.

Стандарт основан на обобщенных результатах исследований предприятий, НИИ, военных исследований и др. технических и практических (научных) достижений в обществе. Стандарт только тогда эффективен и дает экономический эффект, когда в него заложены самые последние требования науки, техники и производства.

Технические условия (ТУ)

Технические условия устанавливают технические требования к продукции (общий вид, габариты, цвет, запах и др.) или технические требования к услуге. Часто в ТУ указывают методы и процедуры, которые необходимо использовать при оказании услуги или производстве товара для проверки соблюдения нормативных требований ТУ.

Примечание: Требование стандартов и ТУ подразделяется на 2-а вида:

1. Обязательные требования, невыполнение которых может привести к аварии или угрозе жизни человека или угрозе окружающей среде

2. Рекомендуемые требования не обязательны к исполнению, но они регламентируют работу исполнителя, помогают ему освоить профессиональ эт работу, и перестановки пунктов рекомендуемых требований обычно не влияет на качество

Свод правил

Свод правил - самостоятельный стандарт или часть какого-либо стандарта, который описывает методы, подходы процессов проектирования, конструирования, разработки и монтажа, оборудования, сложной технологической оснастки, сложных измерительных инструментов.

Свод правил носит рекомендательный характер для проектанта, конструктора, исследователя, и помогает в работе, особенно начинающим специалистам.

Регламент

Документ в котором содержатся обязательные правовые нормы, а поэтому это обязывающий документ, обязательный для всех, кто пользуется этим регламентом.

Разновидностью регламента является технический регламент, который содержит обязательные технические требования к объекту стандартизации. Регламентные требования заложены или в регламенте на конкретное изделие, или дается ссылка на пункты конкретного стандарта или ТУ, которые являются обязательным регламентом для данной продукции.

Пример:

1. Компьютерный класс (гост), но есть и стандарт на установку оборудования (ссылка на санитарные нормы)

2. Регламент подготовки вакцин для населения

3. Технический регламент на проверку ВДВ

4. Технический регламент предстартовой подготовки ракеты

Для гарантии качества проверяемой и выпускаемой продукции технические регламенты дополняются всевозможными методическими документами (правила испытания изделия, правила приемки).

Согласно руководства международного комитета по стандартизации (ISO/МЭК) стандарты подразделяются:

1. Основопологающие стандарты, которые содержат общие положения для определения области деятельности и служат базой для создания других стандартов (ЕСКД "Основные положения, термины, определения" ГОСТ 2.101-78 - он является базой для других стандартов). В каждой области деятельности человека разрабатываются свои основопологающие стандарты, которые являются базой для обеспечения качества продукции этой отрасли.

2. Терминологические стандарты. Объектом стандартизации и разъяснения являются термины, понятия и их толкование.

3. Стандарты на методы испытания изделий (климатические условия).

4. Стандарты на продукцию (игрушка для ребенка до 1 года).

5. Стандарты на услуги и процессы (оборудование парикмахерских, санитарно-гигиенические требования).

6. Стандарты на совместимость различных процессов, продуктов, технологий (химические реактивы).

7. Стандарты с открытыми значениями (стандарты, в которых обязательная часть прописана, а параметры изделия определяет потребитель, которые имеет право оговаривать в договоре поставки).

3.2.2 Нормативные документы по стандартизации в РК

Все нормативные документы по стандартизации в РК установлены законом РК о стандартизации, принятом в 1993 г.

1-й документ: ГОСТ К - основопологающий государственный стандарт РК. Он охватывает все виды работ и услуг, носящие межотраслевой общегосударственный характер. (ГОСТ на все виды крепежа, общие требования к черным металлам)

2-й: Международные и региональные стандарты и ТУ действуют в РК только те, которые признаны гос. стандартом РК и разрешены к применению в пределах РК или совместными протоколами или межправительственными договорами. Разрешения на применение международных стандартов должны учитывать национальные приоритеты, климатические условия и т.д.

3-й: Общереспубликанские классификторы, технико-экономической информации (технико-экономической информации)

4-й: Стандарты отраслей промышленности (ОСТ 2.ГО.0511-78 - например, на гидронасосы). Разработанные ОСТ, регламентируя качество отраслевой продукции, не должны противоречить гос. стандартам. Допускается изменение только в сторону улучшения параметров изделия. При этом отрасль должна поставить в известность гос. стандарт о методах и способах улучшения этих качеств.

5-й: Стандарты предприятия (СТП). СТП разрабатывается или на конкретную продукцию, или на какой-то показатель качества продукции, или на ограничение применяемой номенклатуры и сортамента. (на ограничение размеров шайбы (2 мм)). СТП не должны противоречить отраслевым и гос. стандатам и, если они направлены на улучшение ее параметров, то предприятие обязано согласовать методы и средства повышения качества с отраслевым отделом стандартизации.

6-й: ТУ - разрабатываются предприятием в том случае, если разработка стандарта экономически не целесообразна. Объектом разработки ТУ является или разовая продукция или внутри продукции специфическая особая поставка (ГОСТ на бумагу, гигиенические требования на туалетную бумагу)

Согласно закону о стандартизации относятся ТУ к техническим, а не к нормативным документам.

Особо выделим ТУ на продукцию, разработанную предприятием, они могут стать нормативным документом, если в договоре на поставку заказчик делает ссылку на это ТУ.

Согласно ТУ на производство выделим следующие качественные показатели:

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.

В ГОСТ 9757--90 предусматриваются следующие фракции керамзитового гравия по крупности зерен: 5--10, 10-- 20 и 20--40 мм. и керамзитовый песок фр.0-5. В каждой фракции допускается до 5% более мелких и до 5% более крупных зерен по сравнению с номинальными размерами. Из-за невысокой эффективности грохочения материала в барабанных грохотах трудно добиться разделения керамзита на фракции в пределах установленных допусков.

По насыпной плотности керамзитовый гравий подразделяется на 10 марок: от 250 до 800, причем к марке 250 относится керамзитовый гравий с насыпной плотностью до 250 кг/м3, к марке 300 -- до 300 кг/м3 и т. д. Насыпную плотность определяют по фракциям в мерных сосудах. Чем крупнее фракция керамзитового гравия, тем, как правило, меньше насыпная плотность, поскольку крупные фракции содержат наиболее вспученные гранулы.

Для каждой марки по насыпной плотности стандарт устанавливает требования к прочности керамзитового гравия при сдавливании в цилиндре и соответствующие им марки по прочности (табл.). 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 3

Требования к прочности керамзитового гравия

Марка по насыпной плотности	Высшая категория качества	Первая категория качества
	Марка по прочности	Предел про-чности при сдавливании в цилиндре, МПа,не менее	Марка по прочности	Предел про-чности при сдавливании в цилиндре, МПа, не менее
250	П35	0,8	П25	0,6
300	П50	1	П35	0,8
350	П75	1,5	П50	1
400	П75	1,8	П50	1,2
450	П100	2,1	П75	1,5
500	П125	2,5	П75	1,8
550	П150	3,3	П100	2,1
600	П150	3,5	П125	2,5
700	П200	4,5	П150	3,3
800	П250	5,5	П200	4,5

Прочность пористого заполнителя - важный показатель его качества. Стандартизована лишь одна методика определения прочности пористых заполнителей вне бетона -- сдавливанием зерен в цилиндре стальным пуансоном на заданную глубину. Фиксируемая при этом величина напряжения принимается за условную прочность заполнителя. Эта методика имеет принципиальные недостатки, главный из которых -- зависимость показателя прочности от формы зерен и пустотности смеси. Это настолько искажает действительную прочность заполнителя, что лишает возможности сравнивать между собой различные пористые заполнители и даже заполнители одного вида, но разных заводов. Методика определения прочности керамзитового гравия основана на испытании одноосным сжатием на прессе отдельных гранул керамзита. Предварительно гранулу стачивают с двух сторон для получения параллельных опорных плоскостей. При этом она приобретает вид бочонка высотой 0,6--0,7 диаметра. Чем больше количество испытанных гранул, тем точнее характеристика средней прочности. Чтобы получить более или менее надежную характеристику средней прочности керамзита, достаточно десятка гранул.

Испытание керамзитового гравия в цилиндре дает лишь условную относительную характеристику его прочности, причем сильно заниженную. Установлено, что действительная прочность керамзита, определенная при испытании в бетоне, в 4-5 раз превышает стандартную характеристику. К такому же выводу на основе опытных данных пришли В. Г. Довжик, В. А. Дорф, М. 3. Вайнштейн и другие исследователи.

3.2.3 Стандартная методика определения прочности керамзитового гравия

Стандартная методика предусматривает свободную засыпку керамзитового гравия в цилиндр и затем сдавливание его с уменьшением первоначального объема на 20%. Под действием нагрузки прежде всего происходит уплотнение гравия за счет некоторого смещения зерен и их более компактной укладки. Основываясь на опытных данных, можно полагать, что за счет более плотной укладки керамзитового гравия достигается уменьшение объема свободной засыпки в среднем на 7%. Следовательно, остальные 13% уменьшения объема приходятся на смятие зерен (рис.1).Если первоначальная высота зерна D, то после смятия она уменьшается на 13%.

Рисунок 7 Схема сдавливания зерен керамзита при испытании.

Рисунок 8 Схема укладки зерен керамзита.

Высококачественный керамзит, обладающий высокой прочностью, как правило, характеризуется относительно меньшими, замкнутыми и равномерно распределенными порами. В нем достаточно стекла для связывания частичек в плотный и прочный материал, образующий стенки пор. При распиливании гранул сохраняются кромки, хорошо видна корочка. Поверхность распила так как материал мал.

3.2.4 Показатель объемного водопоглощения

Водопоглощение заполнителя выражается в процентах от веса сухого материала. Этот показатель для некоторых видов пористых заполнителей нормируется (например, в ГОСТ 9757--90). Однако более наглядное представление о структурных особенностях заполнителей дает показатель объемного водопоглощения.

Поверхностные оплавленные корочки на зернах керамзита в начальный период (даже при меньшей объемной массе в зерне и большей пористости) имеют почти в два раза ниже объемное водопоглощение, чем зерна щебня. Поэтому необходима технология гравиеподобных заполнителей с поверхностной оплавленной корочкой из перлитового сырья, шлаковых расплавов и других попутных продуктов промышленности (золы ТЭС, отходы углеобогащения). Поверхностная корочка керамзита в первое время способна задержать проникновение воды вглубь зерна (это время соизмеримо со временем от изготовления легкобетонной смеси до ее укладки). Заполнители, лишенные корочки, поглощают воду сразу, и в дальнейшем количество ее мало изменяется..

Между водопоглощением и прочностью зерен в ряде случаев существует тесная корреляционная связь. Чем больше водопоглощение, тем ниже прочность пористых заполнителей. В этом проявляется дефектность структуры материала. Например, для керамзитового гравия коэффициент корреляции составляет 0,46. Эта связь выявляется более отчетливо, чем связь прочности и объемной массы керамзита (коэффициент корреляции 0,29).

Для снижения водопоглощения предпринимаются попытки предварительной гидрофобизации пористых заполнителей. Пока они не привели к существенным положительным результатам из-за невозможности получить нерасслаивающуюся бетонную смесь при одновременном сохранении эффекта гидрофобизации.

Особенности деформативных свойств предопределяются пористой структурой заполнителей. Это, прежде всего, относится к модулю упругости, который существенно ниже, чем у плотных заполнителей. Собственные деформации (усадка, набухание) искусственных пористых заполнителей, как правило, невелики. Они на один порядок ниже деформаций цементного камня. При исследованиях деформаций керамзита все образцы при насыщении водой дают набухание, а при высушивании -- усадку, но величина деформаций разная. После первого цикла половина образцов показывает остаточное расширение, после второго -- три четверти, что свидетельствует об изменении структуры керамзита. Средняя величина усадки после первого цикла 0,14 мм/м, после второго -- 0,15 мм/м. Учитывая, что гравий в бетоне насыщается и высушивается в меньшей степени, реальные деформации керамзита в бетоне составляют лишь часть этих величин. Пористые заполнители оказывают сдерживающее влияние на деформации усадки (и ползучести) цементного камня в бетоне, в результате чего легкий бетон имеет меньшую деформативность, чем цементный камень.

3.2.5 Морозостойкость

Другие важные свойства пористых заполнителей, влияющие на качество легкого бетона-- морозостойкость и стойкость против распада (силикатного и железистого), а также содержание водорастворимых сернистых и сернокислых соединений. Эти показатели регламентированы стандартами.

Морозостойкость ( F, циклы) - ГОСТ нормирует, чтобы этот показатель был не менее 15 (F15), причем потеря массы керамзитового гравия в %, не должна превышать 8%.- как правило заводы-изготовители выдерживают эту норму.

Искусственные пористые заполнители, как правило, морозостойки в пределах требований стандартов. Недостаточная морозостойкость некоторых видов заполнителей вне бетона не всегда свидетельствует о том, что легкий бетон на их основе также неморозостоек, особенно если речь идет о требуемом количестве циклов 25--35. Заполнители легких бетонов, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации, не всегда удовлетворяют требованиям по морозостойкости и потому должны тщательно исследоваться.

На теплопроводность пористых заполнителей, как и других пористых тел, влияют количество и качество (размеры) воздушных пор, а также влажность. Заметное влияние оказывает фазовый состав материала. Аномалия в коэффициенте теплопроводности связана с наличием стекловидной фазы. Чем больше стекла, тем коэффициент теплопроводности для заполнителя одной и той же плотности ниже. С целью стимулирования выпуска заполнителей с лучшими теплоизоляционными свойствами для бетонов ограждающих конструкций предлагают нормировать содержание шлакового стекла (например, для высококачественной шлаковой пемзы 60--80%) .

В зависимости от технологии изготовления и свойств сырья, показатель теплопроводности может быть разным, у разных производителей, но в среднем он составляет 0,07 - 0,16 Вт/м ^oС, где соответственно меньшее значение соответствует марке по плотности М250. (Здесь следует отметить что марка М250 является редкой и изготавливается часто под заказ. Обычная плотность материала это М350 - М600 соответственно тогда К 0,1-0,14).

Искусственные пористые пески -- это в основном продукты дробления пористых кусковых материалов (шлаковая пемза, аглопорит) и гранул (керамзит). Специально изготовленные вспученные пески (перлитовый, керамзитовый) пока не занимают доминирующего положения.

Большое преимущество дробленых песков -- возможность их производства в комплексе с производством щебня. Однако это обстоятельство обусловливает и существенные недостатки в качестве песка. Являясь попутным продуктом при дроблении материала на щебень, песок в ряде случаев не соответствует требуемому гранулометрическому составу для производства легкого бетона. Очень часто песок излишне крупный, не содержит в достаточном количестве наиболее ценной для обеспечения связности и подвижности бетонной смеси фракции размером менее 0,6 мм .

Насыпная объемная масса пористых песков еще в меньшей степени, чем крупных заполнителей, характеризует их истинную «легкость». Малая объемная масса песка часто достигается за счет не внутризерновой, а междузерновой пористости вследствие специфики зернового состава (преобладание зерен одинакового размера). При введении в бетонную смесь такой песок не облегчает бетон, а лишь повышает его водопотребность. Очевидно, для улучшения качества пористого песка необходим специальный технологический передел дробления материала на песок заданной гранулометрии, а не попутное получение песка при дроблении на щебень.

Производство дробленого керамзитового песка, особенно при преобладании в нем крупных фракций, нельзя признать рациональным. Крупные фракции (размером 1,2--5 мм) дробленого песка мало улучшают удобоукладываемость смеси, но вызывают повышение ее объемной массы из-за наличия открытых пор и повышенной пустотности. Вспученный (в печах «кипящего слоя») керамзитовый песок производится пока в небольшом количестве. По физико-техническим показателям он лучше дробленого песка. Прежде всего меньше его водопоглощение.

Характеристика вспученных и дробленых песков по фракциям: 50% составляет фракция 1,2--5 мм. Поэтому в легком бетоне приходится снижать расход керамзитового гравия, что нерационально (заменять гравий песком).

С уменьшением объемной массы пористых заполнителей (насыпной и в зерне) их пористость и водопоглощение увеличиваются. Однако водопоглощение, отнесенное к пористости зерен, уменьшается, что указывает на увеличение «закрытой» пористости у более легких материалов.

4. ПОЛУЧЕНИЕ ЛЕГКОГО КЕРАМЗИТА

В настоящее время основным показателем, определяющим перспективность производства и применения в строительстве тех или иных материалов, конечно не ухудшающих комфортность жилья, является энергоемкость производства.

Базовой отраслью искусственных пористых заполнителей является керамзитовая промышленность, которая составляет в странах СНГ 85% от общего производства. Изменение требований стройиндустрии по качественным и экономическим показателям к используемым материалам, повлекло за собой вытеснение использования керамзита в производстве стеновых материалов и теплоизоляционных засыпках из-за практически остановленного усовершенствования технологии его производства.

Более 60% всего керамзита имеет марку 500 и ниже, что обусловило его использование преимущественно для изготовления наружных ограждающих керамзитобетонных панелей, для которых высокие теплозащитные свойства, обеспечиваемые легким керамзитом, являются ведущим техническим показателем. Для конструктивных бетонов до последнего времени использовали всего лишь 5% общего выпуска керамзита. В этих условиях тяжелый керамзит рассматривали как продукцию низкокачественную. Однако в настоящее время наметился переход к широкому внедрению в строительстве конструктивных легких бетонов, для которых нужны и более прочные пористые заполнители. В связи с этим особую актуальность приобретают мероприятия, позволяющие повысить прочность керамзита без увеличения его насыпной массы. Но вместе с тем, по-видимому, более широко будут применять для конструктивных бетонов и тяжелый керамзит, которому свойственна более высокая прочность.



Рисунок 9 Влияние насыпной объемной массы керамзита на его себестоимость

Рисунок 10 Зависимость себестоимости керамзита от годовой производительности завода

Выработка керамзита на одного работающего составила в среднем 1250 м³ в год, трудоемкость 1,35 чел.-ч/м³, удельный расход условного топлива 112 кг/м³, а электроэнергии 23 кВт-ч/м³. Статистические данные устанавливают достаточно четкую зависимость себестоимости керамзита от его насыпной объемной массы (рис. 9) и мощности предприятия (рис. 10). Эти зависимости указывают на нецелесообразность строительства маломощных предприятий. С увеличением насыпной массы керамзита резко снижается экономичность его производства и применения.

Опыт производства керамзита указывает на прямую зависимость между насыпной плотностью и расходом энергоносителей на производство 1 м³ гравия, а насыпная плотность, в свою очередь пропорциональна коэффициенту вспучивания глины и коэффициенту теплопроводности. Следовательно, необходимо разработать мероприятия позволяющие достичь снижения насыпной плотности и уменьшить коэффициент теплопроводности керамзита. Вместе с тем, снижение прочности керамзита не является сдерживающим фактором, т.к. переход на новые конструктивные системы (каркасные) зданий не предусматривает повышенную прочность стеновых композиций.

Энергоемкость производства 1 м³ керамзита марки 300 и 350 по насыпной плотности европейских производителей составляет 45 - 63 кг.у.т./м³, российских производителей 78 - 150 кг.у.т./м³, причем, такой насыпной плотности подавляющее количество производителей получить не могут. Конечно, данное существенное отличие часто объясняется существующей разницей в технологическом оборудовании (двух барабанные печи производительностью 400 тысяч м³ в год типичные для европейских производителей и печи с переменным сечением в странах СНГ производительностью до 140 тысяч м³ в год), однако возможности усовершенствования технологии производства на отечественном оборудовании далеко не исчерпаны. Кроме того, существуют свои плюсы и минусы в той и другой технологии. В качестве примера приведем динамику изменения энергоемкости производства на ТОО «Стройкомбинат».

 Таблица 4

Энергоемкость производства керамзита

№	Вид продукции	Объем производства	Удельный расход ТЭР
		Ед. изм.	2011г.	2012г.	2013г.	2014г.	Ед. изм.	2011г.	2012г.	2013г.	2014г.
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1.	Топливо
	Керамзит	м3	102 990	172 232	180 800	234 000	кг.у.т./м3	61,1	57,2	55,5	48,2
2.	Электрическая энергия
	Керамзит	м3	162 990	172 232	187 800	234 000	кг.у.т./м3	6,19	5,68	5,57	5
	Итого						кг.у.т./м3	67,29	62,88	61,07	53,2

Суммарная энергоемкость производства керамзита за 2014 год при выпуске 234000 м³ составила 53,2 кг.у.т./м³, причем за данный период в четыре года изменился фракционный состав потребления, а следовательно, и выпуска мелких фракций 0-5 мм и 5-10 мм суммарно с 20% до 50%. Соответственно можно сделать вывод о возможности производства керамзита на отечественном оборудовании с энергоемкостью соответствующей европейской и намного ниже существующей у производителей стран СНГ, из-за которой производство керамзита считается энергоемким.

Проведенный комплекс исследований позволил разработать рекомендации по энергосберегающему производству облегченного керамзита пяти этапов технологического процесса.

4.1 Рекомендации по подготовке сырья к переработке и переработка глины с добавками при производстве керамзита

1. Для производства керамзита используются темно-коричневые глины Погодаевского месторождения .

2. Глина не должна иметь примесей вскрышных пород, растительного слоя, супеси и подстилающего глину песка, вылеживаться на открытом воздухе не менее 30 суток.

3. Формовочная влажность глины 20-25%.

4. Для снижения карьерной влажности глинозапасники должны заполняться и вырабатываться поочередно.

5. Переработка глиномассы осуществляется двухвальными глиномешалками. Для обеспечения нормальной работы глиномешалки, разрушения структуры глины и смешивания ее с добавками, вал глиномешалки должен быть всегда засыпан глиной, но не выше высоты лопастей, находящихся в верхнем положении.

6. Угол разворота лопастей и частота вращения валов в глиномешалках:

№ 2 12° - 8° - 10° и 12,5 об/мин

№ 3 10° - 6° - 8° и 24 об/мин

№ 4 10° - 6° - 8° и 24 об/мин

7. Число лопастей в глиномешалках:

№ 2 - 34 шт.

№ 3 - 46 штук

№ 4 - 36 штук

Износ лопастей по толщине - не более 50%.

8. Для улучшения процесса вспучивания, в глиномассу вводится органическая добавка - мазут в количестве до 2%. к весу сухой глины или концентрат отработанной эмульсии в количестве до 4% к весу сухой глины до 300 л/час, в том же количестве возможно введение отработанных масел.

4.2 Рекомендации по формовке гранул при производстве керамзита

керамзит гравий водопоглощение

1. Формующие шнековые прессы, оборудованные гранулирующими приставками, предназначены для формования сырцовых гранул.

2. Для формовки гранул глина должна поступать хорошо переработанная и перемешанная с мазутом или концентратом отработанной эмульсии.

3. Формовка гранул производится на ленточных прессах. Диаметр отверстий лобовых плит 7-12 мм.

4. Частота вращения шнеков: пресса СМК-133 - 21 и 25 об/мин.

5. Формовочная влажность глины 20-25%.

6. При работе пресса запрещается продолжать работу при засорении более 10% всех формовочных отверстий, при больших деформациях лобовых плит и частичном их разрушении, при непрерывном формовании рваного, просеченного полуфабриката.

7. Нагрузка электродвигателя 100-150А.

При увеличении нагрузки должна производиться чистка лобовых плит и фильтрующей рубашки и наплавка шнеков прессов.

8. Сформованные жгуты должны иметь сплошную гладкую поверхность, диаметр жгутов должен соответствовать диаметру отверстий лобовых плит.

9. Для увеличения выпуска керамзита мелкой фракции, при необходимости, гранулы измельчают приспособлением для резки гранул.

4.3 Рекомендации по сушке гранул в сушильном барабане

1. Температура дымовых газов на входе в сушильный барабан не менее 300°С.

2. Температура дымовых газов на выходе из сушильного барабана 60-130°С.

3. Влажность высушенных гранул 0,5-6%.

4. Частота вращения барабана:

№ 2 - от 1,5 до 2,5 об/мин № 3 - от 1,5 до 2,5 об/мин

5. Высушенные гранулы должны быть плотными, окатанными.

6. Для увеличения выпуска керамзита фракции 0-4 мм и 4-8 мм, высушенные гранулы измельчают в дробилке и опудривают доломитовой мукой до 1,5 % к массе.

4.4 Рекомендации по обжигу керамзита во вращающихся печах

1. Обжиг материала производится в модернизированных однобарабанных вращающихся печах длиной 40 м переменного сечения, включающих барабан термоподготовки диаметром 2,5 м и барабан вспучивания диаметром 3 м с частотой вращения от 2 до 3 оборотов в минуту. 2. Питание печей гранулами должно осуществляться равномерно с помощью ленточных питателей, гранулы должны быть однородными по качеству переработки и влажности. Гранулометрический состав полуфабриката должен быть стабильным.

Загрузка печей полуфабрикатом 95-120 л/мин. (6,5 - 7,2 м³/час).

3. Температура футеровки и материала в зоне вспучивания 1040-1100°С (при погашенном факеле).

4. Во избежание образования спеков гранулы опудриваются, факел должен быть слабосветящимся, не должен касаться футеровки и материала. Ось факела должна совпадать с осью печи, длина факела 0,1-0,2 длины печи.

5. Не просматриваемая (черная) зона на участке, удаленном от горячего конца печи, должна занимать не более 1/3 длины печи.

6. Давление газа, поступающего на обжиг 400-600 Па.

7. Напор дутьевого вентилятора 250-350 Па.

8. Температура отходящих газов из печей 380-420°С.

9. Разрежение в загрузочной камере печи 20-40 Па.

10 Предельные значения марок по насыпной плотности

Таблица 5

Марка по насыпной массе

Наименование материала	Марка по насыпной плотности
Гравий керамзитовый	Мин.200	Макс.400
Песок керамзитовый	Мин.450	Макс.600

11. Расход газа для обжига 620-700 м³/час на одну печь.

12. Температура дутьевого воздуха 40-80°С.

13. Температура керамзита, поступающего в слоевой холодильник 800-900°С, а на выходе из холодильника - 60-150°С.

4.5 Рекомендации по рассеву керамзита по фракциям

1. Гравиесортировка керамзита предназначена для рассева керамзитового гравия на 4 фракции: 0-4, 4-8, 8-16 и 16-32 мм.

2. Сетки с квадратными ячейками из стальной рифленой проволоки по ГОСТ 3306 (номер сетки - 4, 8, 16). Допускаемые отклонения от номинального размера стороны 3,0%.ячейки в свету

3. Степень засоренности материала не должна превышать нормы, установленные СТБ ЕН 13055-1-2003.

Зерновой состав каждой фракции должен находиться в пределах:

Таблица 6

Зерновой состав.

Диаметр отверстий контрольных сит, мм	d	D	20
Полный остаток на сите, % по массе	от 80 до 100	до 10	Не допускается

4. Гравий должен храниться раздельно по фракциям. Не допускается смешивание разных фракций при складировании.

5. При хранении гравий и песок не должны подвергаться засорению и механическим воздействиям.

6. Частота вращения гравиесортировки должна варьироваться в зависимости от гранулометрического состава смеси в диапазоне от 12 до 20 об/мин.

Данные рекомендации, а также технологический регламент на производство облегченного керамзита соответствующего европейским нормам, разработаны и внедрены согласно приказа Министерства строительства и архитектуры Республики Казахстан № 43 от 03.03.2003г. в соответствии с которым с 01.01.2004г. вводится в действие стандарт СТБ ЕН 13055-1-2003 идентичный европейскому стандарту разработанному Техническим комитетом CEN/TC 154 «Заполнители легкие для бетона и строительного раствора».

Отличительной особенностью этой технологии являются:

· Обязательное вылеживание сырья глинистого на открытом воздухе не менее 30 суток, позволяющее увеличить коэффициент вспучивания;

· Ввод обволакивающих (опудривающих) добавок на подсушенные гранулы с помощью гибкого шнека, позволяющее получить максимальный эффект по снижению насыпной плотности мелких фракций 0 - 4 и 4 - 8 мм при обжиге на более высоких температурах;

· Ввод обволакивающих (опудривающих) добавок непосредственно в зону обжига с помощью кольцевого питателя, позволяющее снизить насыпную плотность фракций 8 - 16 и 16 - 32 мм, также при обжиге на более высоких температурах;

· Плавное регулирование технологического процесса с помощью частотных регуляторов на следующих операциях:

1. дозирование глины на входе в технологический процесс - частота вращения ящичного питателя;