ПОРИСТЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ТРЕПЕЛОВ ДЛЯ ЛЕГКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ БЕТОНОВ —
Получение легких прочных заполнителей для конструкционно-теплоизоляционных и конструкционных бетонов приобрело за последние годы в частности в связи с необеспеченностью тяжелым заполнителем ряда районов страны, где осуществляется массовое строительство. Перевозка гравия и щебня за сотни километров приводит к загрузке транспорта и значительному повышению стоимости бетой пых конструкций.
В поисках сырьевых ресурсов для производства прочных пористых заполнителей исследователи обратились к кремнистым породам, месторождения которых широко распространены на территории нашей страны. По данным ВНИИГеолнеруда имеется значительное число разведанных и утвержденных месторождений кремнистых пород, однако их запасы в основном утверждались как сырье для цементной, теплоизоляционной, нефтяной и некоторых других отраслей промышленности без учета возможности использования их как сырья для производства заполнителей бетона.
Природная пористость кремнистых пород обусловила первоначальные попытки использования их камневидных разновидностей как заполнители бетона в природном виде. Однако из-за нестабильности присутствующего в них опалового кремнезема, способного погло щать или выделять воду, изменяясь в объеме, бетоны на их основе оказались недостаточно атмосферо- и морозостой- oiMH, ПОЭТОМУ возникла необходимость термической обработки.
Большие работы в этом направлении проведены в Харьковском инженерно строительном институте, Краснодарском политехническом институте, ВНИИстроме им. П. П. Будникова, владимирском Облмежколхозстройобъединении, управлении Орелстрой. Исследования ВНИП- строма показали, что встречаются разновидности трепелов, способных вспучиваться, образуя гравий, аналогичный керамзиту, по с несколько более высокой прочностью. Установлено, что из пород после термической обработки могут быть получены гравий и щебень, пригодные для производства легкого конструкционного бетона.
Анализ проведенных исследований показал, что при обработке различных разновидностей кремнистых пород диатомитов, трепелов, опок требуются различные технологические схемы. Наиболее изучен вопрос использования трепелов как сырья для получения заполнителя типа керамзита или заполнителя в виде обожженных гравия и щебня. Действующие заводы используют трепелы Шадрниского (Курганская обл.), Хо- тынецкого (Орловская обл.) и Пекшинского (Владимирская обл.) месторождений. Получаемый вспученный заполнитель типа керамзита используется в теплоизоляционно-конструкционных бетонах (Шадринск), обожженный гравий (термолитовый) — в конструкционных легких бетонах (Орел), обожженный щебень (термолнтовый)—в конструкционно-теплоизоляционных бетонах (Владимир)
ВНИИстром им. П. П. Будникова и содружестве с институтом ВНИИГеолнеруд (Казань) и рядом организаций Госстроя СССР и Госстроя РСФСР провел детальные исследования проб ряда месторождений трепелов, разработал технологию заполнителей, нормативные документы, регламентирующие требования к сырью, методы его испытания и основы промышленного производства заполнителей.
Изучение химико-минералогического состава и структуры кремнистых опаловых пород показало, что их можно рассматривать как силикатную систему, и которой преобладает Si02 в виде опала с примесью различных окислов: А1203, Fc2Os, СаО и др. При обжиге кремнистых пород в зависимости от вида и количества содержащихся примесей происходит жидкостное либо твердо-жидкостное спекание. Жидкая фаза вызывает огневую усадку, способствует ослаблению жесткости структуры породы и повышению стойкости материала к разрушению, вызываемому объемными изменениями при полиморфных превращениях Si02 в процессе обжига.
Анализ результатов лабораторных исследований позволил условно разделить изученные трепелы на три группы: глинистые, глобулярные и карбонатные. Глинистые трепелы: хотьковский (Московская обл.), котовскнй (Курская обл.), пекшинский (Владимирская обл.), хотынецкнй (Орловская обл.), шадринский (Курганская обл..) характеризуются значительным содержанием глинистого вещества. Они содержат глинозема от 7,43 до 16,85%, окислов железа от 2,01 до 6,11%, органических примесей от 0,5 до 3,02%- Число пластичности находится в пределах 5,4—29,3, содержание частиц размером менее 0,001 мм составляет от 5,2 до 42,28%.
Глобулярные трепелы дабужский (Смоленская обл.), сеиатовский (Молдавская ССР), трепелы месторождений Мокрая Балка (Донецкая обл.) и Водяное (Ворошиловградская обл.) являются наиболее чистыми, почти не содержащими примесей. Количество кремнезема в них составляет от 85,08 до 89,88%, глинозема от 3,25 до 8,05%, окислов железа от 0,84 до 1,68%, органических примесей от 0,11 до 0,34%. Породы, как правило, непластичиые, кремнеземистое вещество представлено в виде глобул опала.
Карбонатные трепелы: кутейнпковский (Донецкая обл.), рава-русский (Львовская обл.) характеризуются значительным, до 25%, содержанием карбонатных материалов. Количество кремнезема составляет от 43,32 до 52,86%, глинозема от 3,97 до 5,6%, органических примесей от 0,21 до 0,34%. Породы, как правило, непластичиые, огнеупорность их наименьшая: она составляет 1300—1350°С, в то время как огнеупорность глобулярных и глинистых трепелов находится в пределах 1400—1580СС.
Во всех разновидностях трепелов наряду с аморфным кремнеземом—опалом, присутствуют кристаллические его разновидности: кристобалит, кварц, редко трндимит, а также органогенные остатки. Сравнение показателей физико-механических свойств образцов пористых заполнителей, полученных в лабораторных условиях из трепельных пород, показало, что прочность их составляет 16—20 МПа, наибольшая величина объемной плотности у глинистого трепела—1,38 г/см3, максимальное водопоглощение у образцов, изготовленных сухим способом из глобулярных и карбонатных трепелов, — 37—55%. объемная огневая усадка имеет наибольшую величину в образцах из глобулярных трепелов —22%.
Рентгенографический анализ образцов показал, что в процессе обжига происходит раскристаллизация аморфного кремнезема, сопровождающаяся энантиотропными превращениями модификаций кварца и кристобалита в а-модификации. Основными кристаллическими новообразованиями в обожженных образцах из глинистых и глобулярных трепелов являются -кварц, а-кристобалит, тридимит. Кроме того, в глинистых трепелах отмечены новообразования муллита и шпинели.
В обожженных образцах из карбонатного трепела основными кристаллическими фазами являются а-кварц и волластонит, переходящий при температуре обжига 1250°С в псевдоволластоиит. Образцы из карбонатного трепела отличаются также содержанием значительного количества стеклофазы.
Анализ дилатометрических характеристик образцов в процессе обжига, полученных на горизонтальном кварцевом дилатометре, подтвердил данные рентгенофазового анализа о полиморфных превращениях р-моднфикаций кристобалита и кварца в -модификации
В зависимости от макроструктуры трепелов (камневидной. рыхлой) образцы подготовлялись сухим способом или пластическим формованием. Некоторые рыхлые трепелы обладали неудовлетворительными формовочными свойствами. Для улучшения прочностных показателей заполнителя, подготовляемого пластическим способом, опробованы различные добавки, которые должны были улучшить формусмость и благоприятствовать жидкостному спеканию при обжиге за счет увеличения содержания плавней Fe2Oa и FeO, CaO, K20+Na2,0 и др. Такими добавками служили легкоплавкие глины и промышленные отходы: шлам глиноземного производства, нефелиновый шлам, шлаки, а также ипритные огарки и мел. Введение в трепел добавок способствует повышению прочностных показателей заполнителя.
В связи с намечающимся использованием Главмособлстройматериалами трепелов Хотьковского месторождения для производства заполнителей легких конструкционных бетонов проведены опытно-промышленные испытания двух проб хотьковского трепела, отобранных геологами в интервале 6—13 и 13—20 м. Подготовку массы и обжиг сырца осуществляли на Опытном заводе ВННИстрома по следующей технологической схеме:
Испытания 20 опытных партий показали, что при использовании хотьковскою трепела в чистом виде получен заполнитель насыпной плотностью 820—970 кг/м3, с пределом прочности при сдавливании 5.4-9,03 МПа, водопоглощеипем 12.7 19.5%. коэффициентом размягчения 0.9- I, морозостойкостью свыше 100 циклон.
Величина коэффициента размягчения заполнителя и результаты испытания его на морозостойкость показывают, что заполнитель атмосфсроустойчив, он не разрушается при храпении. Результаты обжига опытно-промышленной партии хотьковского трепела с добавками позволили установить, что наиболее эффективной и доступной добавкой, улучшающей формовочные свойства массы и обеспечивающей хорошее спекание шихты, а также повышение прочности заполнителя, является легкоплавкая глина типа глинистых пород Ельдигинского месторождения. Оптимальная температура обжига принята 1180—1200°С.
На основе заполнителя с пределом прочности 5—7 МПа, полученного из хотьковских трепелов, в НИИЖБе изготовлены легкие конструкционные бетоны марок 300—500, удовлетворяющие по физико-техническнм показателям требованиям СНиП, гл. II-21-75. Технология гравия принята ведомственной комиссией Главмособлстройматериалов. В таблице приведены показатели спойств заполнителя. В результате проведенных испытаний принято решение об организации в системе Главмособлстройматериалов производства термолитового гравии на основе трепелов Хотьковского месторождения по технологической схеме, разработанной ВНИИстромом им. П. П Будникова.
Для обжига сырца рекомендовано использовать разработанные Волгоцеммашем двухбарабанные печи производительностью 200 тыс. м3 керамзита в год. В настоящее время указанные печи являются самыми мощными тепловыми агрегатами, использование которых- позволит обеспечить эффективность производства термолитового гравия с малым удельным расходом тепла, регулируемым режимом обжига, максимальным съемом продукции с 1 м3 печного объема.
Экономический эффект от организации производства, термолитового гравия для легких конструкционных бетонов марок 300—500 на основе трепелов Хотьковского месторождения в объеме 400 тыс. м3 составит более 1000 тыс. р. и год. Экономия получается как в сфере производства заполнителя за счет замены гранитного щебня из Карелии трепельиым гравием, так и п сфере применения за счет облегчения веса конструкций примерно на 500 кг на 1 м3 бетона.
Стоимость 1 м3 термолитового гравия с учетом его изготовления и транспортирования на заводы-потребители в Москве инжс на 15—20% по сравнению со стоимостью привозного гранитного щебня. Для некоторых районов РСФСР, например Мордовской АССР, Горьковской области. Саратовской области, эта стоимость будет ниже на 30—40%.
Результаты проведенных исследований позволили разработать и утвердить первый нормативный документ на трепельные породы как сырье для производства искусственных пористых заполнителей, а также составить Руководство по технологии производства искусственных пористых заполнителей из трепельных пород.
Разработка и утверждение указанных документов позволяют организовать систематическую разведку и испытании трепельных пород, расширить сырьевую базу производства искусственных пористых заполнителей.