Пористый заполнитель из шахтных пород для легких бетонов —
Метод агломерации (спекания) получает все более широкое распространение в производстве искусственных заполнителей для легких бетонов. Одним из основных достоинств этого метода является возможность изготовления эффективного пористого заполнителя (аглопорита) из многих видов местного сырья. К ним относятся: глинистые углесодержащие породы—отходы добычи и обогащения угля, золы электростанций, нестойкие топливные шлаки, глины, суглинки, глинистые сланцы и лессы. Особого внимания заслуживают глинистые породы шахтных выработок, содержащие до 20% угля Это позволяет вести процесс агломерации на спекательных решетках без введения в шихту технологического топлива.
Ростовский экономический район, в состав которого частично входит Донецкий угольный бассейн, обладает неограниченными запасами такого сырья для производства аглопорита. Достаточно отметить, что из 76 млн. т шахтных пород, получаемых ежегодно при добыче угля в основных бассейнах Советского Союза, 51 млн. т приходится на долю Донбасса. Учитывая наличие этих сырьевых ресурсов и огромную потребность в легких заполнителях для бетона, Ростовский научно-исследовательский институт по строительству АСиА СССР предпринял специальное исследование с целью уточнения параметров технологии производства аглопорита из шахтных пород восточной части Донецкого бассейна.
Были изучены свежедобытые углесодержащие породы выработок шахт Артем-2 и Южная-2, рас положенных в пределах г. Шахты. Из-за непостоянства химического и минералогического составов этих пород были исследованы усредненные пробы. Они имели следующий химический состав (в %): Si02 —57,6; Fe203 —5,67; А1203 — 21,68; СаО — 1,14; AlgO — 2,28; S (пирит) —0,13; S03 — 0,1; Н20 — 0,62; п. п. п. — 6,3 Минералоге петрографические исследования пород показали, что они представляют собой типичный слабослоистый аргиллит (глинистый сланец).
Экспериментальные работы проводились на агломерационной установке полупроизводственного типа, состоящей из вакуум-камеры, закрепленной на ней спекательной чаши, вентилятора высокого давления (Н=450 мм вод- ст.) и трубопровода с шибером, соединяющего вакуум-камеру с вентилятором.
В табл. 1 представлены результаты опытов, показывающие, что при одном и том же содержании топлива и влаги в шихте и.одинаковой высоте агломерируемого слоя предельная крупность частиц породы оказывает существенное влияние на вертикальную скорость спекания Шихта состояла из 85% породы, 10% опилок и 5% топлива. Влажность ее составляла 14%.
Наблюдаемое замедление скорости спекания зерен углесодержащей породы по мере увеличения их предельной крупности может быть объяснено тем, что в более крупных частицах физико-химические процессы заканчиваются позднее, чем в мелких: зона горения, по мере увеличения предельной крупности зерен, медленнее перемещается к колосниковой решетке. Это положение подтверждается и проведенными визуальными наблюдениями. Установлено, что часть более крупных зерен углесодержащей полностью спекается. Они снижают прочность средней пробы аглопорита и увеличивают степень его неоднородности Испытания показали, что для исследуемого вида сырья верхний предел крупности должен быть около 5 мм.
Как известно, количество и качество топлива оказывают существенное влияние на параметры процесса спекания н качество аглопорита. В наших опытах использовался тощий донецкий уголь Шихта составлялась из расчета содержания в ней 5, 7, 9, 11, 13 и 15% угля (по весу) и 10% опилок. Предельная крупность составляющих шихты была: для породы — 2,5—5 мм, опилок—до 5 мм и угля до 2,5 мм Влажность шихты в соответствии с результатами предыдущих опытов принималась равном 14%. Высота спекаемого слоя во всех опытах составляла 200 мм, максимальное разрежение— 350 мм вод. ст.
Опыты позволили выявить влияние содержания топлива на качество аглопорита: с увеличением, до некоторого предела, содержания топлива в шихте прочность аглопорита увеличивается. Непрерывный рост прочности получен при введении в шихту угля в количестве от 5 до 9%. Наибольшая прочность аглопорита (30,6 кг/см2) с более равномерной и мелкой пористостью получена при содержании 9% топлива.
Увеличение количества угля в шихте (11 13 и 15%) приводят к снижению прочности аглопорита на 26—35%; объемный вес (в куске) готового продукта при этом изменяется незначительно. Ваглопорите образуются сквозные оплавленные каналы и каверны размером 5—6 мм. Структура образцов становится менее равномерной с преобладанием пор средних и крупных размеров.
В задачу экспериментальных работ входило также выявление зависимости качества готового продукта от количества опилок в сырьевой смеси. Для этой цели составлялись шихты с содержанием опилок: 0, 2, 4. 6, 8, 10 и 12% (по весу). Количество топлива, по результатам предыдущих исследований, для всех сырьевых смесей принималось постоянным, равным 9% кг/м3 1100
В табл. 2 и на рис. 2 приведены данные, характеризующие влияние содержания опилок на прочность, объемный вес (в куске), водопоглощение и выход аглопорита.
Визуальное изучение структуры образцов атлопорита, полученного при различном количестве опилок в шихте, показывает, что лучшие результаты достигаются при их содержании, равном 8%; «пирог» при этом характеризуется равномерной пористостью; большинство пор имеет размеры 0,5—1 мм.
Уменьшение количества опилок против указанного приводит к возрастанию содержания недожога, располагающегося слоями по высоте образца; при отсутствии их шихта спекалась лишь отдельными гнездами; при наличии в шихте более 8% опилок равномерность структуры аглопорита ухудшается (отмечена тенденция к увеличению размера пор).
Важнейшим условием процесса спекания, влияющим на технико-экономические показатели производства, является газопроницаемость слоя сырьевой смеси. Во время наших опытов устанавливалось оптимальное разрежение под колосниковой решеткой, соответствующее наибольшей скорости спекания и условной производительности установки. Одновременно изучалась структура получаемых образцов. Опыты проводились с шихтой оптимального состава при разрежениях под колосниковой решеткой в 100, 150, 200, 250, 300 и 350 мм вод. ст. В табл. 3 приведены данные, характеризующие изменение основных параметров спекания в зависимости от разрежения под колосниковой решеткой.
Опытами установлено, что по мере роста начального разрежения продолжительность спекания шихты сокращается. При разрежении в 100 мм вод. ст. она составляла 33 мин., начиная с разрежения в 250 мм вод. ст. и выше продолжительность спекания сократилась до 24 мин. При начальных разрежениях в 100, 150 и 200 мм вод. ст. величины разрежений в процессе спекания практически не менялись, а в некоторых случаях (100 и 150 мм вод. ст.) в начале процесса отмечалась тенденция к небольшому увеличению разрежения, что может быть объяснено происходящим при этом уплотнением сырьевой смеси. При вакууме под колосниковой решеткой в 250, 300 и 350 мм вод. ст. наблюдалось значительное уменьшение величины разрежения к концу процесса.