4.3 Безобжиговые стеновые изделия на основе горелых пород

При добыче угля образуется так называемая «пустая» порода, которая подается отдельно и складируется в конусообразные терриконики или отвалы. Остаточный уголь в породах со временем самовозгорается и образуется обожженный сырьевой материал. Существуют также природные обожженные материалы (глиежи), которые образовались вследствие подземных пожаров, возникших в недрах земли.

Горелыми породами следует называть полностью перегоревшие пустые шахтные породы, которые содержат минимальное количество углистых примесей. В Кузбассе горелые породы имеются как природные, так и в конусообразных и плоских террикониках. В г. Новокузнецке – 2 терриконика по 2 млн. м³ на шахте Байдаевская, на шахте Абашевской – 600 тыс. м³. В г. Прокопьевске: шахта «Центральная» - 600 тыс. м³, шахта «Красногорская» - 700 тыс. м³. Из террикоников горелые породы частично разобраны для подсыпки дорог, но часть сохранилась. Оставшиеся объемы составляют от 2 до 700 тыс. м³. Природные горелые породы (глиежи) в Кузбассе до настоящего времени не разрабатывались.

Горелые породы относятся к группе активных минеральных добавок, т.е. способны поглощать из раствора ионы Са²⁺. Известно их применение в качестве активной минеральной добавки (до 60 %) к портландцементному клинкеру для получения пуццолановых цементов. Возможно на их основе получение известково-пуццолановых вяжущих.

По химическому составу горелые породы являются кислыми. В результате природного обжига происходит разложение каолинита – глинистой составляющей отходов с образованием активного кремнезема и глинозема.

Для повышения активности горелых пород применяется механический способ – помол и химический метод – добавка извести, доменного шлака, гипса, перлита, железистых добавок, добавок цемента, жидкого стекла. Полученные изделия требуют тепловой обработки (ТВО или автоклав). Использование горелых пород Кузбасса и разработка рекомендаций по их применению выполнено профессором Книгиной Г.И. и ее учениками.

Процесс, проходящий при твердении сырьевой тонкодисперсной смеси: горелая порода + известь:

.

Образующиеся гидросиликаты обеспечивают прочность и водостойкость готового изделия из горелых пород.

Химический состав горелых пород приведен в таблице 4.12. Результаты анализа показали, что породы относят к группе кислых, поскольку они содержат повышенное количество SiO₂ и Al₂O₃.

Таблица 4.12 – Результаты химического анализа горелых пород

Горелые породы	Содержание в % на сухое вещество								П.П.П.
	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	FeO	Fe2O3	SO3	K2O+Na2О
г. Мыски	66,65	7,29	0,41	9,0	0,35	5,98	0,68	8,6	0,61
ш. «Байдаевская	61,71	11,49	0,41	9,52	0,43	5,58	0,49	9,96	3,72

Содержание углистых примесей отрицательно влияет как на саму горелую породу, так и на изделие из нее, а именно – снижает долговечность, морозостойкость, водостойкость.

Наиболее простой способ определения количества угля, который можно применять в полевых условиях, это способ поглощения горелой породой метиленовой сини из раствора концентрации 0,5 г/л. Горелая порода измельченная до полного прохождения через сито 0,08 берется в количестве 1 г и к навеске приливается 10 см³ раствора метиленовой сини указанной концентрации. При содержании углистых примесей в количестве более 1,5…2 %, раствор бледнеет в течение 5…10 минут, и чем больше угля, тем быстрее происходит обесцвечивание раствора. Если углистых примесей содержится незначительное количество – 1,5 % раствор метиленовой сини в зависимости от степени самообжига ведет себя так же, как и при взаимодействии с обычным кирпичом.

Этим же способом можно определить степень обжига горелой породы. При низкотемпературном обжиге 600…700⁰С – раствор сини остается в течение нескольких суток почти без изменения. Это испытание горелых пород позволяет установить в течение короткого времени и предельно простым способом наличие в ней поверхностно-активных частичек угля и недостаточно обожженной глины, причем частички угля особенно активно адсорбируют краситель от раствора.

При исследовании распределения остаточных углистых примесей в горелых породах определялись потери при прокаливании и содержание углерода для отдельных фракций рассеянных горелых пород, взятых из террикоников Кузбасса. Установлено, что остаточный углерод равномерно распределен во всех фракциях и не превышает 3 %. Несколько выше до 5 % находится в смеси фракции 10…40 мм. Объяснить хороший обжиг можно достаточным возрастом террикоников (около 50 лет), которые уже не горят.

Минералогический состав. Исходными материалами для образования горелых пород являются метаморфизированные породы, представляющие собой природную смесь из углистых и слабоуглистых аргиллитов, алевролитов и песчаников. Установлено, что угленосные породы, выдаваемые из шахт Кузбасса, неоднородны и состоят из двух разновидностей, смешанных примерно в следующем соотношении в %: чистые породы – 30…40; смешанные с углем – 60…70.

Минералогический состав горелых пород Кузбасса представлен следующим примерным соотношением главных составляющих: глинистые сланцы – 48 %; песчанистые сланцы – 27 %; песчаники – 20 %; углистые сланцы – 3 %; карбонатные породы – 2 %. Цвет горелых пород может быть разным – от ярко красного до черного.

Гранулометрический состав горелых пород. Для определения гранулометрического состава из террикоников методом квартования была взята проба, рассеяна через сито с ячейками 5, 10 и 40 мм. Результаты показали, что в породе больше всего содержится мелкой фракции менее 5 мм (таблица 4.13).

Таблица 4.13 – Гранулометрический состав горелых пород

Фракции, мм	Остаток на сите, %	Фракции, мм	Остаток на сите, %
5	36,3	10…40	24,2
5…10	13,5	40	26

Наличие повышенного количества мелкой фракции показывает, что часть горелых пород подвергнута разложению под действием влаги и мороза. Срок террикоников составляет около 50 лет – за это время слабые фракции подвергались разложению и образованию мелочи. Установлено также, что около 30 % пород терриконика имеют стабильный состав и не подвергаются разложению, поэтому именно эту фракцию (более 40 мм) можно использовать в качестве заполнителя. Для проверки этого утверждения некоторые фракции подвергались проверке на морозостойкость, а также проверялось количество углистых частиц, потери при прокаливании.

Стеновой блок на основе мелкозернистого бетона. Из крупнопористого бетона на основе горелых пород целесообразно изготавливать крупные блоки заводским способом. В качестве вяжущего используют смеси тонкомолотой породы ярких, светлых чистых тонов с небольшим количеством извести и добавок: гипса, гранулированного молотого шлака. Применение крупнопористых блоков из горелых пород снижает вес стены на 40…45 % и толщину на 35…38 % по сравнению со стенами из кирпича.

Из исследуемых горелых пород был получен стеновой блок размером 20×20×40 см из мелкозернистого бетона в заводских условиях. Для приготовления вяжущего горелая порода дробилась на щековой дробилке, затем измельчалась на бегунах, после этого добавлялись добавки: известь и гипс. Заполнителем служила также горелая порода. Бетонная смесь готовилась жесткая с осадкой конуса 0…1 см. Она закладывалась в формы и методом вибропрессования изготавливались изделия - блоки. Апробировано три состава (таблица 4.14).

Таблица 4.14 – Получение стеновых блоков из горелых пород (результаты заводского эксперимента)

Состав	Масса, кг	%	Прочность на сжатие, МПа	Плотность, г/см3
а) Вяжущее: горелая порода фр. 0,6 мм известь (СаО) молотая фр. 0,6 мм доменный граншлак гипсовая порода молотая фр. 0,6 мм Итого вяжущего: б) Заполнитель: горелая порода фр. 0,14…10 мм	5 1 0,5 0,25 6,75 17	100 20 10 5 35 65	4,8	1,43
а) Вяжущее: горелая порода фр. 0,6 мм известь фр. 0,6 мм цемент ШПЦ-300 Итого вяжущего б) Заполнитель: горелая порода фр. 0,14…10 мм	5 1 0,5 6,5 17	100 20 10 30 70	5,98	1,43
а) Вяжущее: цемент ШПЦ-300 б) Заполнитель: горелая порода фр. 0,14…10 мм	5 17	30 70	11,5	1,62
Заводское изготовление а) Вяжущее: цемент ШПЦ-300 б) Заполнитель: доменный граншлак	7 16	25 75	5,0	1,5
Примечание – В таблице дан расход материала на один блок; прочность дана после пропаривания; плотность блока рассчитана с учетом его пустотности.

Результаты показывают, что при добавке в вяжущее доменного граншлака – 10 % и гипсовой добавки до 5 % может быть достигнута прочность 4,8 МПа.

Для увеличения прочности в состав введено 10 % ПЦ, прочност увеличичилась до 5,98 МПа, плотность – 1,43 г/см³. Если же в качестве вяжущего использовать портландцемент, то прочность возрастает до 11,5 МПа, но и средняя плотность увеличивается до 1,62 г/см³. Для блока на основе мелкозернистого бетона для малоэтажного строительства достаточно прочности до 5 МПа, для этого можно рекомендовать наиболее эффективный состав № 1.

Для производства стеновых блоков на основе мелкозернистого бетона рекомендована следующая технологическая схема производства. Горелые породы из терриконика поступают по транспортеру на сито для отсева пыли и мелочи, которые увозятся в отвал, оставшаяся порода более крупной фракции на транспортере доставляется на комбинированную дробилку, где производится дробление до необходимой фракции.

Затем по виброгрохоту горелые породы фракции 0,14…10 мм поступают в бункер с дозатором, и горелые породы фракции менее 0,6 мм – в бункер песка из горелых пород. После этого компоненты вяжущего из бункеров – песок из горелых пород, известь, доменный шлак и гипс поступают в шаровую мельницу, а оттуда по ковшовому элеватору в бункер вяжущего. Горелые породы фракции 0,14…10 мм и вяжущее поступают в бетономешалку принудительного действия, сюда же подается вода из бака. В бетономешалке готовится смесь, которая подается на установку по формованию блоков. Готовые блоки поступают в пропарочную камеру для пропарки и затем на склад готовой продукции.

Безобжиговый кирпич на основе горелых пород. Целью работы было получение безобжигового кирпича на основе горелой породы (рисунок 4.18). Горелые породы предварительно подвергались дроблению на щековой дробилке и измельчались в бегунах.

Гранулометрический состав следующий: фракции менее 0,14 – 50 %; 0,14…0,6 – 32 %; 0,6…1,2 – 18 %.

Затем добавлялась добавка: известь негашеная молотая фракции 0,2 мм и менее. Сухая смесь перемешивалась на бегунах до однородной массы. Перед формованием смесь увлажнялась водой и выдерживалась в течение одного часа. Давление прессования Р=8…9 МПа. Формовку кирпича производили на карусельном прессе. Кирпич выдерживался в течение 12 часов, после этого пропаривался 9 часов при температуре 90 ⁰С. Результаты приведены в таблицах 4.15, 4.16.

1 – приемный бункер для горелой породы; 2 – ковшовый элеватор; 3 – склад горелой породы; 4- щековая дробилка; 5 – бегуны; 6 – расходный бункер горелой породы; 7 – расходный бункер извести; 8 – расходный бункер воды; 9 – дозатор для сыпучих материалов; 10 – дозатор воды; 11 – бегуны сухого помола; 12 – смеситель; 13 – транспортер для подачи смеси в пресс; 14 – пресс; 15 – отформованные изделия; 16 – пропарочные камеры; 17 – отдел технического контроля; 18 – склад готовой продукции

Рисунок 4.18 – Технологическая схема получения безобжигового кирпича на основе горелых пород

Таблица 4.15 – Свойства безобжигового кирпича

Состав	Прочность, МПа
	при изгибе	на сжатие
Горелые породы + 20 % извести	4,5	6,8
Горелые породы +20 % ШПЦ	Не определялась	5,2
Горелые породы фракции 0,6 мм – 10 % Горелые породы фракции 2,5 мм – 10 % Известь – 15 % Гипс – 5 % Доменный шлак – 15 %	Не определялась	12

Таблица 4.16 – Свойства исследуемых материалов

Стеновой материал	Состав	Технология получения	Средняя плотность
Блок 20×20×40 см из мелкозернистого бетона	Заполнитель – 65 %: горелая порода фр. 5 мм горелая порода фр. 5...10 мм Вяжущее – 35 %: горелая порода + известь (20 %) + доменный шлак (10 %) + гипс (5 %)	Вибро-прессование, пропаривание	1430
Кирпич полусухого прессования 250×120×65 мм	Горелая порода фр. менее 0,14 мм – 50 %; фр. 0,14…0,6 – 32 %% фр. 0,6…1,2 – 18 %; известь	Полусухое прессование Р=15 МПа, пропарка	1800