Технология керамзита

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1.КЕРАМЗИТ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ БУДУЩЕГО

1.1 Краткая характеристика производства

1.2 Краткая характеристика керамзита

1.3 Область применения керамзита

2.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТА

2.1 Технология керамзита

2.2Сущность технологического процесса

3. ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА КЕРАМЗИТА

3.1 Основные положения по контролю качества керамзита

3.2 Параметры качества керамзита

3.2.1Стандарты

3.2.2 Нормативные документы по стандартизации в РК

3.2.3 Стандартная методика определения прочности керамзитового гравия

3.2.4 Показатель объемного водопоглощения

3.2.5 Морозостойкость

4. Получение легкого керамзита

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

4.2 Рекомендации по формовке гранул при производстве керамзита

4.3 Рекомендации по сушке гранул в сушильном барабане

4.4 Рекомендации по обжигу керамзита во вращающихся печах

4.5 Рекомендации по рассеву керамзита по фракциям

5. ОХРАНА ТРУДА И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

5.1 Охрана труда и техника безопасности

5.2 Охрана окружающей среды

6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТА

6.1 Теплотехнические расчеты и тепловая экономичность вращающейся печи

6.2Технико-экономические показатели производства керамзита

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Наша область является дефицитной на некоторые минеральные виды строительного сырья, что не может не сказаться на темпах и на стоимости промышленного и гражданского строительства. В настоящее время разведаны такие виды сырья для производства как цемента, кирпича, силикальцита, заполнителей бетона, тугоплавких глин, природных красок и других материалов.

Предприятия города Уральска, выпускающие стеновые материалы, эксплуатируют местные месторождения песчано-гравийной смеси, мела, кварцевого песка и глин. Количество разведанного сырья вполне достаточно для обеспечения им предприятий на длительный период. Однако, в связи с введением новых государственных стандартов возникла _; настоятельная необходимость сделать переоценку имеющихся запасов сырья, что и сделано данной работой. Очевидно, что предприятия не обеспечены сырьем необходимого качества. Таким образом, сложившаяся обстановка требует принятия самых неотложных мер со стороны планирующих организаций для постановки геологоразведочных работ с целью выявления новых месторождений для строительной индустрии.

Одним из самых распространенных и важных строительных материалов является керамзиовый гравий или попросту - керамзит.

На базе Уральских месторождений уже функционирует крупный механизированный карьер. Вводимые мощности по производсттву керамзита в областном центре полностью обеспечены высококачественным сырьем. Крупные месторождения керамзитового сырья выявлены в районе станции Казахстан, п. Федоровка и Погодаевское месторождение. Запасы сырья здесь оцениваются в 20 -- 25 млн. м³.

Стремительный рост строительства для реализации жилищной программы диктует повышенные требования к промышленности строительных материалов, развитию и модернизации строительного комплекса страны.

Мощная база керамзитовой промышленности явилась основой строительной индустрии, обеспечившей решение острой жилищной проблемы в 60-70-е гг. прошлого века. Керамзитобетон составлял до 80% всего объема производства легких бетонов для жилищного, гражданского и промышленного строительства в СССР. И в настоящее время керамзитобетон является одним из наиболее перспективных строительных материалов для решения задач быстрого возведения массового, доступного и комфортного жилья - долговечного, с высоким уровнем экологической и пожарной безопасности.

В настоящее время в странах СНГ работают с неполной загрузкой порядка 200 керамзитовых заводов, которые могут производить до 15 млн м³ керамзита в год. Однако теплозащитные показатели керамзита и керамзитобетона зачастую неудовлетворительны. В первую очередь это связано с тем, что выпускаемый в России керамзитовый гравий имеет в основном насыпную плотность порядка 450--550 кг/м³. Целесообразна организация производства особо легкого керамзита с насыпной плотностью порядка 200-350 кг/м³ для производства однослойных наружных стеновых панелей [1].

Производство особо легкого керамзитового гравия имеет ряд технологических особенностей. Одним из основных условий, необходимых для вспучивания глинистого сырья при обжиге, является образование пиропластической массы с оптимальными параметрами вязкости в относительно широком интервале температуры нагрева и выделении из этой массы достаточного количества газообразных продуктов. Степень вспучивания зависит от комплекса факторов, включающих качественный состав исходного сырья, режимы термообработки и физико-химические процессы [2].

1.КЕРАМЗИТ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ БУДУЩЕГО

1.1 Краткая характеристика производства

Керамзит - это материал, полученный при быстром обжиге темно-коричневых глин. Обладает малой плотностью, значительной прочностью и высокими теплозащитными свойствами. Используется в строительстве зданий, сооружений, дорог. Применяется в растениеводстве, как субстрат для гидропоники.

На заводе керамзитового гравия разработали «здоровые» стеновые блоки на основе керамзита. Давно доказано: глина - абсолютно безвредный для человека материал, недаром люди издавна хранили продукты питания именно в глиняной посуде. В лаборатории Белорусского научно-исследовательского института строительства уже провели сертификационные испытания: коэффициент термосопротивления керамзитобетонного блока в два раза выше требуемого норматива. Кстати, по способности выводить антропотоксины, по степени паропроницаемости этот стеновой блок дает фору даже самому экологически чистому стройматериалу - дереву. Подобные строительные конструкции уже используются в Европе. В Германии, например, до 20% стен возводится из керамзитобетонных блоков. Стеновая керамзитобетонная композиция нашего завода будет называться «ТермоКомфорт» - торгово-промышленная палата уже рассматривает заявку на регистрацию торговой марки. Производители не сомневается: в недалеком будущем большинство домов будет строиться из керамзитобетона, этот вопрос уже рассматривается в Министерстве архитектуры и строительства. За недорогим и экологически чистым «ТермоКомфортом» - будущее. На выставке «Будпрагрэс - 2002» в Минске новыми блоками заинтересовались и проектировщики, и заказчики строительных работ, и подрядчики.

В области детально разведаны 2 месторождения керамзитовых глин: Погодаевское и Туксайское.

ПОГОДАЕВСКОЕ месторождение керамзитовых глин расположено в 1,5--2,0 км к юго--юго-западу от пос. Погодаевское Приурального района.

Полезная толща представлена темноцветными глинами аптальбского яруса нижнего мела. Глины содержат прослои песчаника и конкреции сидерита., Мощность полезной толщи 14--15 м.

Месторождение разведано до уровня подземных вод. Водообильность глинистых отложений мизерная -- сотые доли л/сек. Водовмещающие породы -- прослойки алеврита, мощностью до 5 см.

Проведенными исследованиями установлено, что темноцветные глины нижнего мела являются высококачественным сырьем для производства керамзитового гравия, пригодного:

а) для теплоизоляционного керамзитобетона с объемной мас
сой 476--526 кг/м³;

б) конструктивного керамзитобетона марок 100, 150, 200 с объ
емной массой соответственно 1250, 1294, 1314 кг/м³;

в) конструктивно-теплоизоляционного керамзитобетона марок
50--75.

Керамзитовый гравий отвечает требованиям ГОСТ 9759--76 и относится к марке 350--400.

Запасы керамзитовых глин утверждены ТКЗ (протокол № 156, 1973 г.) по категориям A + B + Ci в количестве 6181 тыс. м³, в том числе 1742 тыс. м³ по категориям А+В (39). Прирост запасов возможен на глубину и на смежных площадях.

Месторождение эксплуатировалось трестом «Уральсксельстрой» № 8. Глины Погодаевского месторождения пригодны в качестве основного компонента (60%) при производстве строительного жженого кирпича.

ТУКСАЙСКОЕ (113) месторождение керамзитовых глин расположено в 9--10 км к северу от ст. Алгабас Каз. ж. д., в 75 км по жел. дороге от г. Уральска и в 45 км от ст. Казахстан Бурлинского района.

Месторождение приурочено к южному крылу Туксайского соляного купола и сложено аптскими отложениями нижнего мела. Данные отложения литологически представлены черными и темно-серыми глинами плотными, жирными, неизвестковистыми, с присыпками алеврита, включениями конкреций пирита, с прослойками (до 0,4 м) крепкого мергеля или известняка. До глубины 5--6 м в глинах наблюдается ожелезнение, встречаются крупные гнезда кристаллического гипса.

Полная мощность глин не вскрыта, вскрытая превышает 100 м, площадь распространения глин не оконтурена. Месторождение разведано на глубину 50 м.

Качество сырья и технологические свойства изучены достаточно полно. По заключению лаборатории технологии нерудного сырья Каз. ИМСа и Красновского опытного завода института «ВНИИСТРОМ», глины Туксайского месторождения являются высококачественным сырьем для получения керамзита -- коэффициент вспучивания 4,0--5,5, температурный интервал между началом вспучивания и плавления достигает 100° и выше.

Полученный керамзитовый гравий отвечает всем требованиям ГОСТа 9759--61 для марки «400». Керамзитовый гравий пригоден для получения теплоизоляционного, конетруктивно-теплоизоляционного и конструктивного керамзитобетона. Глины пригодны и для производства глинопорошка для буровых растворов.

Запасы глин Туксайского месторождения утверждены ТКЗ ЗКТГУ (протокол № 54, 1966 г.) по категориям A + B +Ci в количестве 36571,6 тыс. м³, в том числе по категориям А + В -- 7868,9 тыс. м³, т. е. разведанных запасов достаточно для строительства 6--7 типовых керамзитовых заводов. На глубину подсчета запасов (50 м) полезная толща не обводнена (33).

Месторождение не эксплуатируется. Уральская поисково-разведочная партия продолжает поиски и разведку месторождений керамзитового сырья на площадях, приближенных к быстрораз-вивакжцемуся г. Аксаю, по заданию Казахгазпрома.

1.2 Краткая характеристика керамзита

Керамзит представляет собой легкий пористый материал ячеистого строения в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород, способных всучиваться при быстром нагревании их до температуры 1050 - 1300 С в течение 25-45 мин. Качество керамзитового гравия характеризуется размером его зерен, объемным весом и прочностью. В зависимости от размера зерен керамзитовый гравий делят на следующие фракции: 5 - 10, 10 - 20 и 20 - 40 мм, зерна менее 5 мм относят к керамзитовому песку. В зависимости от объемного насыпного веса (в кг/м3) гравий делят на марки от 150 до 800. Водопоглощение керамзитового гравия 8-20 %.

Рисунок 1 Внешний вид керамзитового гравия

Керамзит применяют в качестве пористого заполнителя для легких бетонов, а также в качестве теплоизоляционного материала в виде засыпок.

Керамзитовый гравий -- частицы округлой формы с оплавленной поверхностью и порами внутри. Керамзит получают главным образом в виде керамзитового гравия. Зерна его имеют округлую форму. Структура пористая, ячеистая. На поверхности его часто имеется более плотная корочка. Цвет керамзитового гравия обычно темно-бурый, в изломе -- почти черный. Его получают вспучиванием при обжиге легкоплавких глин во вращающих печах. Такой гравий с размерами зерен 5 - 40 мм морозоустойчив, огнестоек, не впитывает воду и не содержит вредных для цемента примесей. Керамзитовый гравий используют в качестве заполнителя при изготовлении легкобетонных конструкций.

Керамзитовый щебень -- заполнитель для легких бетонов произвольной формы, преимущественно угловатой с размерами зерен от 5 до 40 мм, получаемый путем дробления крупных кусков вспученной массы керамзита.(щебень - это дробленный гравий, у щебня острые угловатые грани, дробят гравий на щебень для целей лучшей сцепляемости в бетоне)

Для изготовления керамзитобетонных изделий нужен не только керамзитовый гравий, но и мелкий пористый заполнитель.

Рисунок 2 Внешний вид керамзитового щебня

Керамзитовый песок (отсев керамзита - другое название) -- заполнитель для легких бетонов и растворов с размером частиц от 0,14 до 5 мм получают при обжиге глинистой мелочи во вращающих и шахтных печах или же дроблением более крупных кусков керамзита, а также отсеиванием отходов в процессе производства керамзита.

1.3 Область применения керамзита

Рисунок 3 Применение керамзита в строительстве и в быту

1. Теплоизоляция кровли скатного типа.

2. Теплоизоляция и звукоизоляция полов и перекрытий.

3. Теплоизоляция и создание уклона плоских крыш, газонов на террасах.

4. Производство сверхлёгкого бетона и лёгких керамзитобетонных блоков.

5. Теплоизоляция и уменьшение глубины закладки фундаментов.

6. Теплоизоляция грунта.

7. Теплоизоляция и дренаж в земляных насыпях дорог, прокладываемых в водонасыщенных грунтах.

8. Гидропоника, создание оптимального микроклимата для корневой системы растений.

2.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТА

2.1 Технология керамзита

Требования к керамзитовому гравию регламентированы ГОСТ 9759--71. Основные из них -- объемная масса, прочность, коэффициент формы, водопоглощение, морозостойкость и стойкость против известкового распада.

По насыпной объемной массе различают 12 марок керамзита, а по прочности -- два класса (табл. 4).

Таблица 4. Физико-механические свойства керамзитового гравия

Марка	Прочность. в кгс/см2 (в МПа) для классов	Влажность W в %	Марка	Прочность в кгс/см2 (в МПа) для классов	Влажность W в %
	А	Б			А	Б
150	4(0,4)	3(0,3)	25	450	20(2)	15(1,5)	20
200	5(0,5)	4(0,4)	25	500	25(2,5)	18(1,8)	20
250	7(0,7)	6(0,6)	25	550	30(3)	21(2,1)	20
300	10(1)	8(0,8)	25	600	35(3,5)	25(2,5)	20
350	13(1,3)	10(1)	25	700	45(4,5)	30(3)	15
400	16(1,6)	12(1,2)	25	800	55(5,5)	40(4)	15

По величине зерен различают три фракции: 5--10;'10--20; и 20--40 мм. Керамзит с зернами крупностью менее 5 мм относят к керамзитовому песку.

По морозостойкости керамзит должен выдерживать не менее 15 теплосмен с потерей в весе не более 8%. Потеря в весе после 4-ч кипячения не должна превышать 5%. Отпускная влажность керамзита должна быть не более 2%:

Большое влияние на качество керамзита как заполнителя бетона оказывает коэффициент формы (/Сф) -- отношение длины зерен к их диаметру. По ГОСТу допускается средняя величина /Сф^1,5.

Содержание в гравии расколотых зерен не должно превышать по массе 15%.

Как уже отмечалось, керамзит получают вспучиванием глин при их обжиге.

Для уяснения основных закономерностей процесса вспучивания глиняной гранулы рассмотрим его в самом схематическом приближении. Представим себе, что нагревается полый глиняный шарик (рис. 31), который можно уподобить элементарной поре глиняной гранулы. Вовремя нагрева при достижении определенной температуры (индивидуальной для каждой глины) глиняная оболочка рассматриваемого шарика начнет размягчаться, спекаться и в конечном счете уплотнится -и станет газонепроницаемой, находясь в пиропластическом состоянии,

Рис. 31. Схема вспучивания элементарной ячейки глиняной гранулы

1-- невспученной; 2 -- вспученной

т. е. будучи способной к пластическим деформациям без разрыва сплошности. Если в этот момент внутри шарика по каким-либо причинам качнут выделяться газы, то, не имея выхода через оболочку, они будут создавать во внутренней полости шарика избыточное давление, под воздействием которого оболочка, будучи размягченной, начнет расширяться. Это и будет представлять собой вспучивание элементарной ячейки глины.

Таким образом, процесс вспучивания состоит из двух стадий: первая -- спекание с образованием закрытой поры и вторая-- собственно вспучивание под давлением газов, выделяющихся внутри закрытой поры. Сумма таких элементарных актов в каждой ячейке глиняной гранулы и обусловит общий процесс вспучивания всей гранулы. При этом, рассматривая процесс вспучивания всей гранулы, необходимо иметь в виду, что по своей толще она нагревается неравномерно: с поверхности нагревается быстрее, чем в центре. Поэтому поверхность гранулы еще до того, как вся ее масса приобретает пиропла-стическое состояние, покрывается плотной спекшейся газонепроницаемой оболочкой, предотвращающей утечку газов из гранулы даже в том случае, если под давлением газов отдельные перегородки пор окажутся прорванными.

Керамзит представляет собой легкий пористый материал ячеистого строения в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород, способных всучиваться при быстром нагревании их до температуры 1050 -- 1300 С в течение 25-45 мин. Качество керамзитового гравия характеризуется размером его зерен, объемным весом и прочностью. В зависимости от размера зерен керамзитовый гравий делят на следующие фракции: 5 -- 10, 10 -- 20 и 20 -- 40 мм, зерна менее 5 мм относят к керамзитовому песку. В зависимости от объемного насыпного веса (в кг/м3) гравий делят на марки от 150 до 800. Водопоглощение керамзитового гравия 8-20 %, морозостойкость должна быть не менее 25 циклов. Керамзит применяют в качестве пористого заполнителя для легких бетонов, а также в качестве теплоизоляционного материала в виде засыпок.

Керамзитовый гравий -- частицы округлой формы с оплавленной поверхностью и порами внутри. Керамзит получают главным образом в виде керамзитового гравия. Зерна его имеют округлую форму. Структура пористая, ячеистая. На поверхности его часто имеется более плотная корочка. Цвет керамзитового гравия обычно темно-бурый, в изломе -- почти черный. Его получают вспучиванием при обжиге легкоплавких глин во вращающих печах. Такой гравий с размерами зерен 5 -- 40 мм морозоустойчив, огнестоек, не впитывает воду и не содержит вредных для цемента примесей. Керамзитовый гравий используют в качестве заполнителя при изготовлении легкобетонных конструкций.

Керамзитовый щебень -- заполнитель для легких бетонов произвольной формы, преимущественно угловатой с размерами зерен от 5 до 40 мм, получаемый путем дробления крупных кусков вспученной массы керамзита. 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.

Для изготовления керамзитобетонных изделий нужен не только керамзитовый гравий, но и мелкий пористый заполнитель. Керамзитовый песок -- заполнитель для легких бетонов и растворов с размером частиц от 0,14 до 5 мм получают при обжиге глинистой мелочи во вращающих и шахтных печах или же дроблением более крупных кусков керамзита.

Производство керамзитового песка по обычной технологии во вращающейся печи неэффективно. Некоторая примесь песчаной фракции получается при производстве керамзитового гравия за счет разрушения части гранул в процессе термообработки, однако он сравнительно тяжелый, так как мелкие частицы глинистого сырья практически не вспучиваются (резервы газообразования исчерпываются раньше, чем глина переходит в пиропластическое состояние). Кроме того, в зоне высоких температур мелкие гранулы разогреваются сильнее крупных, при этом, возможно, их оплавление и налипание на зерна гравия.

На многих предприятиях керамзитовый песок получают дроблением керамзитового гравия, преимущественно в валковых дробилках. Себестоимость дробленого керамзитового песка высока не только в связи с дополнительными затратами на дробление, но главным образом потому, что выход песка всегда меньше объема дробимого гравия. Коэффициент выхода песка составляет 0,4-0,7, т. е. в среднем из 1 м3 гравия получают только около 0,5 м3 дробленого керамзитого песка. При этом почти вдвое возрастает его насыпная плотность.

В настоящее время при получении керамзитового песка лучшей считают технологию его обжига в кипящем слое.

В вертикальную печь загружается глиняная крошка крупностью до 3 или 5 мм, получаемая дроблением подсушенной глины или специально приготовленных по пластическому способу и затем высушенных гранул. Через решетчатый (пористый) под печи снизу под давлением подают воздух и газообразное топливо (или же горячие газы из выносной топки). При определенной скорости подачи газов слой глиняной крошки разрыхляется, приходит в псевдоожиженное состояние, а при ее увеличении как бы кипит. Газообразное топливо сгорает непосредственно в кипящем слое. Благодаря интенсификации теплообмена в кипящем слое происходит быстрый и равномерный нагрев материала. Частицы глины обжигаются и вспучиваются примерно за 1,5 мин. Перед подачей в печь обжига глиняная крошка подогревается в кипящем слое реактора термоподготовки примерно до 300°С, а готовый песок после обжига охлаждается в кипящем слое холодильного устройства. Насыпная плотность получаемого керамзитового песка- 500-700 кг/м3. К зерновому составу керамзитового песка предъявляются требования, аналогичные требованиям к природному песку, но крупных фракций в нем должно быть больше.

Проблему получения керамзитового песка, достаточно эффективного по свойствам и себестоимости, нельзя считать полностью решенной. Часто при получении керамзитобетона в качестве мелкого заполнителя применяют вспученный перлит, а также природный песок.

Сырье

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

Глинистые породы отличаются сложностью минералогического состава и, кроме глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.) содержат кварц, полевые шпаты, карбонаты, железистые, органические принеси.

Глинистые минералы слагают глинистое вещество -- наиболее дисперсную часть глинистых пород (частицы мельче 0,005 мм). Собственно глинами называют глинистые породы, содержащие более 30% глинистого вещества.

Для производства керамзита наиболее пригодны монт-мориллонитовые и гидрослюдистые глины, содержащие не более 30% кварца. Общее содержание SiO2 должно быть не более 70%, А12О3 -- не менее 12% (желательно около 120%), Fe2O3 + FeO -- до 10%, органических примесей -1-2%. Пригодность того или иного глинистого сырья для производства керамзита устанавливают специальным исследованием его свойств. Важнейшее из требований к сырью -вспучивание при обжиге.

Вспучиваемость характеризуется коэффициентом вспучивания, где VК -- объем вспученной гранулы керамзита; Vc -- объем сухой сырцовой гранулы до обжига. Второе требование к сырью (в значительной степени связанное с первым) -- легкоплавкость. Температура обжига должна быть не выше 1250°С, и при этом переход значительной части наиболее мелких глинистых частиц в расплав должен обеспечить достаточное размягчение и вязкость массы. Иначе образующиеся при обжиге глины газы, не удерживаемые массой, свободно выйдут, не вспучив материал.

Третье из важнейших требований -- необходимый интервал вспучивания. Так называют разницу между предельно возможной температурой обжига и температурой начала вспучивания данного сырья. За температуру начала вспучивания принимают ту температуру, при которой уже получается керамзит с плотностью гранулы 0,95 г/см3. Предельно возможной температурой обжига считается температура начала оплавления поверхности гранул.

Для расширения температурного интервала вспучивания используют такой прием, как опудривание сырцовых глиняных гранул порошком огнеупорной глины, что позволяет повысить температуру обжига и при этом избежать оплавления гранул.

Применение

Наиболее широкое применение керамзитобетон находит в качестве стенового материала. В ряде районов страны стеновые панели из керамзитобетона стали основой массового индустриального строительства. Особенно эффективно применение для стеновых панелей хорошо вспученного легкого керамзитового гравия марок 300, 400, до 500 (по насыпной плотности).

Плотность конструкционно-теплоизоляционного керамзитобетона для однослойных стеновых панелей, как правило, составляет 900-1100 кг/м3, предел прочности при сжатии -- 5-7,5 МПа. Такой бетон в конструкции выполняет одновременно несущую и теплоизоляционную функции. В двух- или трехслойных стеновых панелях требуемую несущую способность может обеспечить слой (или два слоя) конструкционного керамзитобетона, а теплозащитную -- слой крупнопористого теплоизоляционного керамзитобетона плотностью 500-600 кг/м3.

Теплоизоляционный крупнопористый керамзитобетон -- самый легкий бетон, который можно получить на данном заполнителе. Его плотность при минимальном расходе цемента лишь немного больше насыпной плотности керамзитового гравия.

На керамзите марок 700, 800 получают конструкционные легкие бетоны с пределом прочности при сжатии 20, 30, 40 МПа, используемые для производства панелей перекрытий и покрытий, в мостостроении, где особенно важно снизить массу конструкций.

Номенклатура

В ГОСТ 9759-76 предусматриваются следующие фракции керамзитового гравия по крупности зерен: 5-10, 10-20 и 20-40 мм. 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

Требования к прочности керамзитового гравия

Марка по насыпной плотности	Высшая категория качества	Первая категория качества
	Марка по прочности	Предел прочности при сдавливании в цилиндре, МПа, не менее	Марка по прочности	Предел прочности при сдавливании в цилиндре, МПа, не менее
250	П35	0,8	П25	0,6
300	П50	1	П50	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.

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.Если первоначальная высота зерна D, то после смятия она уменьшается на 13%.

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.

Водопоглощение заполнителя выражается в процентах от веса сухого материала. Этот показатель для некоторых видов пористых заполнителей нормируется (например, в ГОСТ 9759-71). 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 гидрофоби-зации 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.

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.

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%).

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 ма- териалов.

Свойства легкого бетона

Удобоукладываемость легких бетонных смесей оценивают теми же методами, которые применяют для бетонных смесей на плотных заполнителях.

Подбор количества воды затворения по заданному показателю удобоукладываемости затруднен тем, что последний зависит от характера применяемого пористого заполнителя.

Основы теории легких бетонов, а также общий метод подбора оптимального количества воды затворения для легкобетонной смеси разработаны Н. А. Поповым. Этот метод основан на зависимости прочности и коэффициента выхода легкого бетона от расхода воды Кривая зависимости прочности от расхода воды имеет две ветви. Левая (восходящая) показывает, что прочность бетона при повышении расхода воды постепенно возрастает. Это объясняется увеличением удобоукладываемости бетонной смеси и плотности бетона. Правая (нисходящая) ветвь кривой свидетельствует о том, что после достижения наибольшего уплотнения смеси (т. е. минимального коэффициента выхода) увеличение расхода воды приводит к возрастанию объема пор, образованных не связанной цементом водой, и к понижению прочности бетона. В легком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как недостатка, так и избытка воды затворения.

Наиболее важной (наряду с прочностью) характеристикой легкого бетона является объемная масса. В зависимости от объемной массы и назначения легкие бетоны подразделяют на следующие группы: теплоизоляционные с объемной массой 500 кг/м3 и менее; конструкционно -- теплоизоляционные (для ограждающих конструкций -- стен, покрытий зданий) с объемной массой до 1400 кг/м3; конструкционные с объемной массой 1400- 1800 кг/м3. Объемная масса легкого бетона в значительной степени определяется объемной массой пористого заполнителя.

Установлены следующие проектные марки легкого бетона по прочности на сжатие: М25, 35, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350 и 400. Легкобетонные камни для стен обычно имеют марку 25 и 35, крупные стеновые панели и блоки изготовляют из легкого бетона марок М50, 75 и 100.

Конструкционные легкие бетоны марок 150-400 получают применяя портландцемент марок 300-600. Крупным заполнителем служит керамзитовый гравий, аглопоритовый щебень или шлаковая пемза, в качестве мелкого заполнителя часто применяют кварцевый песок. Объемная масса конструкционных легких бетонов с кварцевым песком доходит до 1700-1800 кг/м3, но все же она на 600- 700 кг/м3 меньше, чем у тяжелого бетона, поэтому коэффициент конструктивного качества, равный отношению прочности к объемной массе, у легкого бетона выше примерно в 1,4 (при одинаковой прочности). В силу этого конструкционный легкий бетон особенно выгодно применять взамен тяжелого бетона в железобетонных конструкциях больших пролетов (фермы, пролетное строение мостов и т. п.), где особенно эффективно снижение собственной массы конструкции. Уменьшение нагрузок от собственной массы позволяет сократить расход арматурной стали на 15-30 %.

Деформативные свойства легких и тяжелых бетонов сильно различаются. Легкие бетоны на пористых заполнителях более трещиностойки, так как их предельная растяжимость выше, чем равнопрочного тяжелого бетона. Однако следует учитывать и такие особенности легких бетонов, как большие усадка и ползучесть по сравнению с тяжелым бетоном.

Теплопроводность легкого бетона зависит в основном от объемной массы и влажности. Увеличение влажности бетона на 1 % повышает коэффициент теплопроводности на 0,01-0,03 Вт/(м-К). В зависимости от объемной массы и теплопроводности толщина наружной стены из легкого бетона может быть от 22 до 50 см.

Долговечность бетона зависит от его морозостойкости. Для ограждающих конструкций обычно применяют легкие бетоны, выдерживающие 15-35 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Однако для стен влажных промышленных помещений, в особенности в районах с суровым климатом, требуются более морозостойкие легкие бетоны. Требования по морозостойкости еще более повышаются, если конструкционный легкий бетон предназначен для гидротехнических сооружений, мостовых и других конструкций. В этих случаях нужен легкий бетон с марками по морозостойкости МрзбО, 75, 100, 150, 200, 300, 400 и 500.

Возможность получения легких бетонов с высокой морозостойкостью и малой водопроницаемостью значительно расширяет области их применения. Бетоны на пористых заполнителях уже успешно используют в мостостроении, в гидротехническом строительстве и даже в судостроении.

В слабоагрессивных и среднеагрессивных средах легкобетонные конструкции можно применять без специальной защиты при условии, если показатель проницаемости легкого бетона не отличается от соответствующей характеристики тяжелого бетона, эксплуатируемого в данной агрессивной среде. Применение же легких бетонов в сильноагрессивной среде разрешается лишь после опытной проверки.

Легкий бетон для несущих армированных конструкций должен быть плотным, т. е. иметь плотную структуру, при которой межзерновые пустоты крупного заполнителя были бы полностью заполнены цементным раствором. В плотном легком бетоне защита арматуры от коррозии не нужна.

Водостойкость плотных легких бетонов на цементе существенно не отличается от водостойкости тяжелых бетонов. Обычно уменьшение прочности легких бетонов от их кратковременного насыщения водой не превышает 15 %. В воде легкие бетоны набухают больше, чем равнопрочные тяжелые бетоны.

Водонепроницаемость конструкционных легких бетонов высокая. По данным Г. И. Горчакова и К. М. Каца, керамзитобетон с расходом цемента 300-350 кг/м3 не пропускал воду даже при давлении 2 МПа. Малая водопроницаемость плотных легких бетонов подтверждается долголетней эксплуатацией гидротехнических сооружений в Армении и Грузии, а также испытанием напорных труб. Характерно, что со временем водонепроницаемость легких бетонов повышается. Дальнейшее уменьшение объемной массы легких бетонов без ухудшения их основных свойств возможно путем образования в цементном камне мелких замкнутых пор. Для поризации цементного камня, являющегося самой тяжелой составной частью легкого бетона, используют небольшие количества пенообразующих или газообразующих веществ. Мелкие и равномерно распределенные поры в цементном камне не понижают прочность, но уменьшают объемную массу и теплопроводность легкого бетона. Кроме того, поризация цементного камня в легком бетоне позволяет обойтись без пористого песка. Поэтому предлагается другой путь: в производстве керамзита на первом этапе исходить из одного критерия -- давать больше продукции при минимальных затратах, а затем уже путем сепарации готового керамзитового гравия по плотности зерен получать кондиционную продукцию разных классов по свойствам и назначению. Это реальный путь повышения качества керамзита, сочетающийся с увеличением объема его производства и снижением себестоимости.

Описание 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. 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.

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.

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.

По мнению автора, 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.