Заполнители для бетона и асфальтобетона. Учебное пособие

3. ПОРИСТЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ

Пористые заполнители в виде щебня или гравия характеризуются насыпной плотностью не более 1000 кг/м3, а в виде песка – не более

1200 кг/м3.

Пористые заполнители подразделяют на:

-природные (вулканические и осадочные): щебень и песок из пемзы, вулканического шлака, туфа и туфовых лав;

-искусственные (специально изготовленные): керамзитовый гравий, аглопорит, вспученный перлит и вермикулит и др.;

-твёрдые отходы промышленности: топливные и металлургические шлаки, золошлаковые смеси, золы-уноса.

3.1. Природные пористые заполнители

Классифицируют пористые заполнители по следующим признакам:

1)по крупности зёрен:

-песок (до 5 мм);

-щебень (свыше 5 мм);

2)по насыпной плотности заполнители делятся на марки;

3)по происхождению:

-вулканического происхождения;

-осадочного происхождения.

3.1.1 Заполнители вулканического происхождения

Природные пористые заполнители вулканического происхождения представляют собой изверженные обломочные породы.

На территории Российской Федерации они встречаются лишь в нескольких районах, но по запасам имеются крупнейшие месторождения. Согласно технико-экономическим расчётам в ряде случаев целесообразна перевозка таких заполнителей в другие районы на большие расстояния.

К пористым заполнителям вулканического происхождения относятся: пемза, вулканические шлаки, туфы и туфовые лавы.

Пемза представляет собой пористое стекло, образовавшееся в результате вспучивания и застывания магмы, выброшенной при извержении вулкана. Выход магмы из недр на поверхность сопровождается резким падением давления. При этом растворённые в расплаве газы выделяются в виде пузырьков. Одновременное охлаждение приводит к увеличению вязкости магмы, и она застывает в виде пористой породы губчатого или волокнистого строения, от серовато-белого до коричневого цвета.

Наиболее крупные месторождения пемзы расположены на Северном Кавказе и Камчатке.

41

Залегает пемза преимущественно в виде песка, щебня и более крупных обломков. Производство пемзовых заполнителей состоит из разработки карьеров, дробления и сортировки материала. В большинстве случаев пемза по химическому составу относится к кислым породам, составленным стеклом (содержание кристаллических минералов обычно менее 1%).

Размеры пор в пемзе – от долей мм до 3 мм, форма пор – округлая или вытянутая. Пористость зерен пемзы доходит до 85%. Для пемзового песка насыпная плотность составляет 600-1100 кг/м3, для щебня 500-1900 кг/м3.

Прочность пемзы возрастает по мере увеличения плотности и составляет 2,5-40,0 МПа.

Пемза имеет ячеистую структуру и поэтому зависимость прочности от плотности приблизительно выражается уравнением квадратичной параболы.

Применение. Наименее пористые, сравнительно более тяжёлые и прочные пемзы (так называемые литоидные, то есть камнеподобные) применяют для получения лёгких конструктивных бетонов. В Закавказье из таких высокоэффективных бетонов сооружаются различные конструкции, в том числе перекрытия, мосты, гидротехнические сооружения.

Более лёгкие разновидности пемзы используют в качестве заполнителей для теплоизоляционных и конструктивно-теплоизоляционных бетонов.

Вулканические шлаки. Образуются из жидкой магмы основного состава, выбрасываемой при бурном извержении в воздух. Песок, щебень, а также крупные глыбы вулканического шлака (вулканические бомбы) перерабатываются в заполнители частичным дроблением и фракционированием.

Месторождения имеются на Камчатке и в других регионах.

Внешне вулканические шлаки похожи на топливные. Они имеют тёмную окраску – от красноватой до чёрной. Структура – крупнопористая, ноздреватая.

Для щебня насыпная плотность составляет 400-650 кг/м3, Вулканические шлаки используют в качестве заполнителей для лёг-

ких бетонов различного назначения.

Туфы и туфовые лавы. Вулканические туфы – это мелкопористые породы, образовавшиеся из вулканического пепла различной степени уплотнения и спекания, а туфовая лава – быстро остывшая поризованная лава с включениями вулканического пепла и песка.

Наиболее значительные месторождения расположены на Кавказе. Туфы и туфовые лавы залегают массивами и используются для про-

изводства стеновых камней и крупных блоков.

Отходы, образующиеся при разработке карьеров камнерезными машинами (более 50 % разработанного объёма камня), после дробления и сортировки дают щебень плотностью 600-800 кг/м3) и песок (плотностью 650-1300 кг/м3), пригодные для лёгких бетонов. Туфы имеют зернистую

42

структуру, туфовые лавы – переходную, иногда близкую к ячеистой. При одинаковой плотности туфовая лава обычно прочнее туфа, но менее прочна, чем пемза.

Некоторые виды туфов не обладают достаточной водостойкостью и морозостойкостью по причине слабых связей между зёрнами в их структуре. Применение таких туфов в качестве заполнителей для бетонов не допускается.

Для получения пористых заполнителей из осадочных горных пород наибольшее значение имеют карбонаты – пористые известняки и ракушечники. Иногда используют также пористые кремнезёмистые породы.

Пористые известняки и ракушечники средней плотностью менее 2000 кг/м3 дают при дроблении щебень плотностью до 1000 кг/м3 (при межзерновых пустотах до 50 %), которые в соответствии с классификацией относятся к пористым заполнителям.

Известняки – ракушечники представляют собой осадочные породы в виде скопления мелких раковин, сцементированных известняковыми отложениями. Они отличаются от обычных мелкопористых известняков ноздреватой крупнозернистой структурой и имеют плотность 1000-1600 кг/м3 при прочности 0,5-10,0 МПа (для обычного известняка

О = 1600-2000 кг/м3 при прочности до 25,0 МПА).

Встречаются также разновидности пористых известняков в виде известкового туфа – осадка углекислых вод плотностью 1400-1800 кг/м3 при прочности 5,0-15,0 МПа.

Прочность пористых известняков приближённо пропорциональна плотности в 4-5-ой степени (n=4-5), таким образом, пористость в данном случае приводит к значительно большему снижению прочности, чем в материалах типа пемзы и туфов.

Ещё сильнее снижается прочность ракушечников (n=5-6), что объясняется некомпактной упаковкой зёрен-ракушек.

Зёрна дроблёных заполнителей выше, чем исходная порода. Поэтому на порошковых известняках и ракушечниках без существенного перерасхода цемента получают бетоны марок 50-200 с плотностью 1800-2200 кг/м3 (облегчённые бетоны).

Месторождения ракушечников имеются в ряде областей России. Кремнезёмистые породы. Среди кремнезёмистых пористых пород

осадочного происхождения некоторое применение в качестве заполнителей находят опока, спонголит, алевролит.

Для них характерны значения плотности 900-1400 кг/м3 при прочности RСЖ = 2,5-15,0 МПа. Структура их зернистая, мелкопористая. В состав указанных пород входит аморфный кремнезём в виде опала, халцедона. Они весьма активны к реакции взаимодействия со щёлочью цемента. Поэтому возможны коррозионные процессы в бетоне.

43

3.2. Искусственные пористые заполнители

В силу того, что месторождения природных пористых заполнителей имеются не во всех регионах страны и запасы их ограничены, искусственные пористые заполнители находят широкое применение в качестве заполнителей для легких бетонов. К ним относятся:

Керамзитовый гравий - легкий пористый материал ячеистого строения в виде гравия, реже в виде щебня. Сырьем для его производства служат легкоплавкие глины, содержащие до 70% диоксида кремния, 6-12 % оксидов железа, 2-3% щелочных оксидов и 1-3% тонко распределенных органических примесей. При обжиге указанных глин происходят процессы дегидратации, выгорания органических примесей, диссоциации, взаимодействия между компонентами глины, окислительные, восстановительные и другие реакции. Протекание этих процессов вызывает газовыделение, образование расплава и размягчение материала. При быстром обжиге процессы газообразования и размягчения материала происходят одновременно. К началу интенсивного газовыделения должно закончиться спекание материала с образованием закрытых пор, иначе произойдет удаление газов, которое не вызовет вспучивания материала.

Процесс изготовления керамзита состоит из следующих основных операций:

-добыча глинистого сырья, его складирование и доставка к месту производства;

-переработка сырья и приготовление гранул,

-обжиг гранул;

-охлаждение керамзита;

-сортировка и (при необходимости) дробление заполнителя;

-складирование и выдача готового продукта.

Технология производства керамзита осуществляется сухим, шликерным (мокрым) и пластическим способами. Выбор способа производства керамзита обусловливается физико-химическими свойствами применяемой глины.

Сухой способ применяют при производстве керамзита из однородного камнеподобного глинистого сырья, легко дробящегося и сортирующегося на ситах при карьерной влажности. Переработка сырья в полуфабрикат сводится к дроблению, получению рассевом фракционированной глинистой крошки фракций 3(5) - 10 – 10-20 мм. Влажность сырья при этом не должна превышать 10 % для последующего их обжига во вращающихся печах.

Шликерный (мокрый) способ целесообразно применять при использовании хорошо размокающих глин. При этом способе сырье предварительно измельчается валково-зубчатыми дробилками и распускается в глиноболтушках до сметанообразной консистенции (содержащей 45-55 % воды). Полученный шлам направляется в шламбассейны, откуда с помощью насосов и питателей поступает во вращающиеся печи.

44

Пластический способ производства керамзита распространен наиболее широко. По этому способу сырье вначале поступает в перерабатывающие глинорыхлители, а затем в двух вальные смесители, где осуществляется гомогенизация массы, а также, если это необходимо, до увлажнение и введение в ее состав добавок, повышающих вспучивание.

Из двувальных глиномешалок сырье подается в формующие дырчатые вальцы, отличающиеся от перерабатывающих тем, что имеют на поверхности барабанов не овальные, а круглые отверстия. После переработки сырья на этих вальцах образуются гранулы размером 8-20 мм. Полученные гранулы сушат и обжигают. Сушку гранул осуществляют или в сушильных барабанах, или в самой печи.

Для обжига керамзита в большинстве случаев применяют вращающиеся печи длиной 40 м и диаметром 2,5 м. Обжиг керамзита производят при температуре до 1250 0С в зависимости от свойств глины и требований, предъявляемых к готовому продукту.

В зависимости от характера протекающих при обжиге физикохимических процессов во вращающейся печи можно выделить следующие зоны: сушки, подогрева, вспучивания и охлаждения. Продолжительность нахождения отформованных гранул во вращающейся печи - от 30 до 40 мин, в том числе в зоне вспучивания 10-15 мин.

Современные заводы по производству керамзита оборудуются двухбарабанными вращающимися печами. Такая печь состоит из длинного вспомогательного барабана малого диаметра с самостоятельным приводом, в котором производятся сушка и подогрев отформованных гранул, и короткого обжигового барабана с концентрическим холодильником, но большим диаметром, в которых происходит вспучивание гранул и охлаждение керамзита. В вспомогательном барабане печи гранулы подогревают до 600°С, а их скоростной обжиг ведут при температуре 1140-1220°С в обжиговом барабане. Вспомогательный барабан вращается со скоростью 1- 2 об/мин, а обжиговый - 2,0-5,6 об/мин.

Рисунок 3.1 - Керамзитовый гравий

45

На выходе из печи керамзит имеет температуру 950-1050°С и направляется в барабанный холодильник, где охлаждается до 150 °С. После охлаждения керамзит сортируют на фракции 5-10, 10-20 и 20-40 мм. Сортировку производят на виброситах, ситах - буратах и др.

Для получения песка керамзит размером более 40 мм дробят в молотковых и валковых дробилках и рассеивают на фракции 0-1,2 и 1,2-5 мм. Полученный керамзитовый гравий и песок хранят в закрытых складах.

Качество керамзитового гравия характеризуется размером его зерен, плотностью и прочностью. В зависимости от размера зерен керамзитовый гравий делят на следующие фракции: 5-10, 10-20 и 20-40 мм (рисунок 3.1). В зависимости от насыпной плотности гравий делят на марки 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700 и 800. Предел прочности при сжатии керамзитового гравия в зависимости от его марки 0,3-5,5 МПа. Водопоглощение керамзитового гравия 15-25 %, морозостойкость должна быть не менее 15 циклов.

Керамзит широко применяют в качестве заполнителя легких теплоизоляционных, конструктивно-теплоизоляционных и конструктивных бетонов, а также для теплоизоляционных засыпок.

Аглопорит представляет собой пористый кусковой материала (рисунок 3.2), получаемый спеканием (агломерацией) гранул из смеси глинистого сырья с углем. Спекание гранул происходит за счет сгорания угля, содержащегося в сырьевой шихте. Одновременно с выгоранием угля вся масса частично вспучивается. При изготовлении аглопорита влажное глинистое сырье смешивают с молотым углем, гранулируют и подают в агломерационную установку. Продолжительность агломерации 25-45 мин.

Пористую легкую глыбу аглопорита после охлаждения дробят на щебень с последующей сортировкой на фракции. Аглопорит выпускают в виде пористого щебня и песка.

Рисунок 3.2 - Аглопорит.

46

Насыпная плотность аглопоритового щебня 300-1000 кг/м3, прочность 0,3-3 МПа. Содержание в аглопорите несгоревшего угля обычно не превышает 3 %, что вполне допустимо для применения его в качестве заполнителя для легких бетонов.

Шлаковая пемза (термозит) получают поризацией шлаковых расплавов в результате их быстрого охлаждения водой, воздухом или паром.

Сырьё – доменные шлаки, в виде огненно-раскалённых металлургических расплавов. Они имеют следующие характеристики:

1. Химический состав и модуль основности, определяется по формуле 3.1:

МОСН> 1,25 – основные шлаки МОСН = 1-1,25 – нейтральные шлаки МОСН< 1 – кислые.

2.Газотворная способность шлаковых расплавов – понятие, связанное с наличием газов в расплаве.

3.Газонасыщенность – общее количество газов в расплаве при данных давлении и температуре.

4.Газорастворимость – количество газов, которое может удержаться

врасплаве в растворённом состоянии при определённых температуре и давлении.

5.Газотворность – количество газов, выделяемое расплавом при переходе из жидкого состояния в твёрдое (количество газов, принимающих участие во вспучивании расплава), формула 3.2:

где ГР.СЛ. - растворимость газов в расплаве при температуре его слива из ковша в поризующий аппарат;

ГР.КР. – растворимость газов в расплаве при его кристаллизации. 6. Вязкость расплава, зависит от его температуры.

7. Поверхностное натяжение – статическая характеристика расплава. Оно оказывает влияние на вспучиваемость в первой стадии процесса в момент образования пузырьков.

Для поризации расплавов применяют три способа. Брызгально-траншейный: расплав подают в траншею на наклон-

ный лоток, на дно которого непрерывно подаётся вода. При сходе с лотка расплав простреливается струями воды, фонтанирующей из перфорированной водопроводной трубы.

В опрокидном бассейне, представляющем собой металлическую чашу с полыми наклонными стенками и днищем, выложенными съёмными перфорированными плитами, через которые подают воду. Бассейн может накло-

47

няться, поворачиваясь вдоль горизонтальной оси. Давление воды достигает 20-40 кПа. Расход воды – 400 литров на 1 тонну расплава. По окончании процесса вспучивания подачу воды прекращают.

Гидроэкранный способ (вододутьевой): раскалённый шлак поступает на жёлоб, куда подают воду со скоростью 17-20 м/с. Расплав попадает на экран, а затем опять на жёлоб, где и происходит вспучивание.

Размер пор шлаковой пемзы в зависимости от способа получения: 0,04 – 4,5 мм, пористость – 52-78 %, водопоглощение – 10-55 %.

Щебень выпускают с насыпной плотностью 300-800.

Вспученный перлит. Перлит – вулканическая стекловидная порода, содержащая 65-78 % аморфного кремнезёма и около 1-2 % связанной во-

ды. При термической обработке в диапазоне температур 970-1270С перлит размягчается и вспучивается (в основном - в результате интенсивного выделения паров воды).

В зависимости от содержания воды вулканические стёкла разделяют на следующие виды:

-обсидианы - до 1 %;

-перлиты – 1- 6 %;

-пехтштейны, витрофиры и др. - более 6 %. Коэффициент вспучивания перлита достигает 10-12.

До обжига сырьё подвергают предварительной термической под-

готовке с целью предотвращения последующего растрескивания породы и получения вспученного перлита наименьшей плотности. Термо-

подготовка при температуре 250-450С в противоточных вращающихся печах длиной 5-8 метров и диаметром 0,7-1,2 метра. Таким образом удаляется свободная и слабо связанная вода. На качество готового продукта, характер и степень его вспучивания влияет размер зёрен. Перлитовый щебень выпускают 4-х марок: 300, 400, 500 и 600.

Перлитовый песок – наиболее лёгкий марки по насыпной плотности 200. Содержание пыли в нём не должно превышать 10 %.

Вспученный вермикулит. Вермикулит – минерал из группы гидрослюд. Они образуются в природных условиях в результате гидратации и других вторичных изменений различных слюд. Практическое значение имеют вермикулиты, образовавшиеся из магниево-железистых руд – флогопита и биотита.

В природе процесс вермикулитизации слюд флогопита и биотита происходит очень медленно, поэтому практически встречаются не только конечные продукты этого процесса, но и все звенья цепочки перехода слюды в вермикулит через гидрослюды с разной степенью гидратации. Вермикулит обладает способностью вспучиваться при нагревании, образуя мелкие поры; размер частиц при этом может увеличиваться в 20-30 раз.

На Урале в настоящее время известно Потанинское месторождение в Челябинской области. На Потанинском месторождении применяется сухой метод обогащения руды:

48

-магнитная сепарация – разделение частиц слюдистых и сопутствующих минералов по величине магнитной восприимчивости;

-электросепарация – по электрофизическим свойствам;

-воздушная сепарация, вибросепарация - по коэффициенту формы, массе;

-сепарация на щелевых грохотах – по толщине частиц. Вспучивание вермикулита.

Одним из интересных и практически важных свойств вермикули-

та является его способность вспучиваться с превращением в лёгкий, эффективный теплоизоляционный материал.

При изучении механизма вспучивания особое внимание привлекает процесс дегидратации вермикулита с образованием минеральных фаз, которые рассматриваются как гидрослюды, отличающиеся друг от друга не только содержанием воды, но и её положением и характером связей в структуре минерала. Под фазой понимается величина межплоскостного расстояния, отвечающая отражению фаз второго порядка. Описание фаз приведено в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Описание фаз при вспучивания вермикулита

Основные положения оптимальной технологии вспучивания вермикулитового сырья:

-максимальная скорость нагрева частиц сырья в температурном интервале вспучивания вермикулита (200-400 С) и гидрослюд (200-800 С);

-исключение перегрева, при котором происходит переход в нежелательную фазу обезвоженного вермикулита – экстатит;

49

-обжиг в условиях смывания каждой частицы турбулентным потоком теплоносителя, недопустимость нагрева вермикулита в насыпном слое;

-пребывание частиц вермикулита в печи не более 0,5-1 секунды,

ачастиц слабо гидратированных гидрослюд – не более 4 секунд. Технологическая схема производства вспученного вермикулита:

-добыча сырья в карьере;

-обогащение;

-дробление;

-обжиг.

Обогащение (отделение пустой породы) – очень трудоёмкий процесс. Самый распространённый метод – гравитационное обогащение, основанное на различии средней плотности вермикулита и породы. Применяют осаждение в водной, воздушной среде и в суспензиях.

При гидравлическом обогащении исключается пыление, легче удаляются мелкодисперсные частицы пустой породы, качество концентрата возрастает по сравнению с пневматическим способом. Обогащение же в суспензиях дорого.

Обогащение в водной среде производят в отсадочных машинах, принцип действия которых основан на различии в скорости падения зёрен пустой породы и вермикулита в восходящем потоке воды. Мелкие фракции обогащаются в потоке воды, поступающей на наклонные концентрационные столы, которые совершают неравномерные возвратнопоступательные колебания, перед обогащением порода обязательно рассеивается на отдельные фракции.

Метод обогащения вермикулита флотацией минералов основан на различной смачиваемости минералов. Слюды гидрофобны, поэтому при продувании воздуха через пульпу с добавками ПАВ вермикулит всплывает, а более гидрофильная порода тонет.

Применяются и такие способы, как электромагнитное обогащение, обогащение на вибростоле (эффективно для крупных фракций).

Если обогащение производится мокрым способом, то следующей операцией вводят сушку. Она должна быть кратковременной и проис-

ходить при относительно невысокой температуре (120-130 С) до удаления капельножидкой влаги с поверхности зёрен.

Дробление. Максимальный размер зерен вермикулита не должен превышать 10 мм, так как более крупные, хорошо вспученные, имеют слабые связи и легко ломаются. Кроме того, зёрна больших размеров имеют крупные поры, а это отрицательно сказывается и на теплоизоляционных засыпках и на свойствах изделий. Оптимальный размер зёрен - 5-10 мм, поэтому дробить вермикулит следует так, чтобы выход крупных фракций был бы максимальным. При механическом воздействии зёрна вермикулита

50