Керамзит

Сырьем для производства керамзита служат глинистые породы, которые должны обладать следующими основными свойствами:

1) способностью хорошо вспучиваться в процессе обжига; коэффициент вспучивания Кв = Vк/Vс (Vк — объем вспученной гранулы керамзита; Vс — объем сухой сырцовой гранулы до обжига) должен быть не менее 2;

2) легкоплавкостью, позволяющей вести обжиг керамзита при температуре, не превышающей 1250° С. При нагревании гранул в печи значительная часть наиболее мелких глинистых частиц переходит в расплав. Глинистое сырье, находящееся в пиропластическом состоянии, должно иметь оптимальную вязкость в том интервале температур, когда наиболее интенсивно выделяются газообразные продукты. Именно в этот момент в результате сгорания органических примесей, разложения карбонатов и водосодержащих минералов, а также восстановления окислов железа происходит вспучивание;

3) определенным интервалом температур между началом оплавления гранул и температурой, при которой получается керамзит с объемной массой гранул 0,95 г/см3. Этот интервал вспучивания должен быть не менее 50°C. Если это условие будет соблюдаться, то даже при неизбежных отклонениях температуры обжига от оптимальной не произойдет спекание гранул пли авария печи.

Сырье, удовлетворяющее всем названным требованиям, встречается относительно редко. Для улучшения его свойств широко применяют некоторые твердые и жидкие добавки (пиритные огарки, золы ТЭС от сжигания каменного угля, соляровое масло, сульфитно-спиртовую бражку и др.).

В основу современной технологии производства керамзита положены результаты исследований, которые проводились И.А. Поповым, С.П. Онацким, Б.В. Еременко, И.А. Гервидсом, А.В. Жуковым, Г.И. Книгиной, Л.К. Петровым, И.Я. Слободяником и др.

Применяют три способа производства керамзита: сухой, мокрый и пластический. Сухой способ используют при наличии плотного глинистого сырья. Глинистые сланцы после дробления к рассева можно сразу направлять в печь. По мокрому способу глиняную пульпу насосами подают в шламбассейн, а затем в печь. Испарение большого количества влаги вызывает повышенный расход топлива, поэтому данный способ целесообразно применять при использовании слабо вспучивающегося сырья, в котором необходимо равномерное распределение соответствующих добавок. Однако при этом способе трудно добиться высокого коэффициента вспучивания, малой объемной массы и требуемой однородности керамзита; форма зерен получается неправильная.

Наиболее распространен пластический способ. Он предусматривает многоступенчатую переработку рыхлого глинистого сырья, в которое в ряде случаев вводят добавки. Подготовленная масса направляется для формования сырцовых гранул, которые перед обжигом проходят сушку в сушильном барабане. В некоторых случаях процесс сушки может быть совмещен с обжигом во вращающейся печи. Допустимая влажность гранул при подаче их в печь принимается около 20%.

Все три рассмотренных способа различаются лишь подготовкой сырья. Основным технологическим процесс сом производства керамзита является его обжиг во вращающихся печах. При этом весьма важно правильно назначить температурный режим обжига, обеспечивающий необходимую степень вспучивания гранул и максимальную производительность печей.

Поскольку процесс газовыделения должен совпадать по времени с пиропластическим размягчением гранул, наиболее интенсивное вспучивание происходит при быстром подъеме температуры. Однако быстро нагреть гранулы до температуры вспучивания возможно лишь при соответствующей их подготовке, т.е. предварительной сушке и подогреве. На этих этапах чрезмерно ускорять процесс нецелесообразно. При быстром нагревании могут развиваться большие температурные деформации и даже разрушаться гранулы.

Гранулы рекомендуется нагревать постепенно до температуры 200—600°C, а затем быстро поднимать температуру примерно до 1200°С. Теоретическая температура горения топлива во вращающейся печи составляет около 2000°C, ее снижение до 1200—1300°С достигается подачей воздуха с избытком против теоретического в 2 раза и более. Оптимальный режим обжига гранул во вращающейся печи, по данным С.П. Онацкого, показан ил рис. 2.1

Для производства керамзита применяют вращающиеся печи размером 2,5х40 м. В комплекте с соответствующим оборудованием для подготовки шихты и формовки гранул указанная технологическая линия имеет производительность 100 тыс. м3 в год. В настоящее время уже создано оборудование, включая печь новой конструкции 3,5х75 м, для технологической линии производительностью 200 тыс, в год.

Особо легкий керамзитовый гравий получают методом опудривания сырцовых гранул перед обжигом порошком огнеупорного материала. Опудривание и окатку сырцовых гранул можно производить в сушильном барабане. Нанесение огнеупорного порошка на поверхность гранул позволяет повысить температуру их обжига, что интенсифицирует процесс вспучивания (табл. 2.1).

На прочность, долговечность и, главное, однородность легкого бетона большое влияние оказывает режим охлаждения керамзита. Это влияние тем заметнее, чем крупнее гранулы и выше их пористость. В процессе быстрого охлаждения в зернах керамзита усиливаются остаточные напряжения. Первоначально напряженное состояние гранул отражается на ряде свойств керамзита: ползучести, морозостойкости, прочности. По данным Пензенского инженерно-строительного института, в результате резкого охлаждения керамзита и появления в нем микротрещин могут снизиться прочность бетона на раскалывание, изгиб и призменная прочность, т. е. те показатели, которые в наибольшей степени зависят от прочности заполнителя на разрыв. Нельзя допускать резкого охлаждения керазмита, если он применяется для бетона, который будет эксплуатироваться в агрессивной среде. Стойкость материала в результате этого может снизиться более чем в 2 раза.

Строение гранулы керамзита зависит от особенностей сырья и применяемого режима обжига. Обычно с повышением степени вспучивания зерно становится более неоднородным: четко выявляется плотная оболочка и пористое ядро. Как видно из рис. 2.2, у гранул керамзита Никольского завода, который имеет наиболее высокую прочность и насыпную объемную массу, оболочки нет; у аджарского керамзита ее толщина менее 1 мм, а у смышляевского доходит до нескольких миллиметров. Нередко толщина оболочки достигает 2—3 мм, она становится своеобразной обоймой для внутренней более пористой и слабой части и способствует повышению прочности зерна керамзита.

Прочность гранулы зависит также от характера пористости. Чем меньше размер пор и больше закрытых пор, тем выше прочность. Еще в большей степени эти факторы влияют на водопоглощение и газопроницаемость гранул. Водопоглощение в течение двух суток составляет лишь 50—60% конечного водосодержания пористого заполнителя. В результате насыщения водой и последующего высушивания до постоянной массы керамзит получает значительные остаточные деформации расширения, что не наблюдается у плотных заполнителей (рис. 2.3).

Наличие в зерне керамзита не только открытых, но и закрытых пор приводит к тому, что для полного насыщения его водой требуется продолжительное время (до 60 суток). Содержащийся в порах воздух полностью не выходит из керамзита, он сжимается под действием капиллярных сил. Впоследствии, расширяясь, например, при нагревании бетона, защемленный воздух способствует перераспределению влаги между заполнителем и цементным камнем. Возникающий градиент давления приводит к упругому расширению бетона.

Основными показателями, определяющими качество керамзита, является величина его насыпной объемной массы и прочность. ГОСТ 9769—71 регламентирует выпуск керамзита 12 марок по его объемной насыпной массе: 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700 и 800.

Значения требуемой прочности в зависимости от марки керамзита приведены в табл. 2.2. При одной и той же объемной массе керамзит может иметь различную прочность, что объясняется различными свойствами применяемого сырья для его производства. В зависимости от марки керамзита предложены следующие наименования заполнителя:

Для изготовления теплоизоляционно-конструктивного бетона и ограждающих конструкции рекомендуется заполнитель марок от 350 до 500. Более тяжелый керамзит, если он имеет соответствующую прочность, предназначается для получения конструктивного бетона.

Морозостойкость керамзита высокая. В соответствии с требованиями ГОСТ 9759—71 он должен выдерживать всего 15 циклов попеременного замораживания и оттаивания. Однако действительная его стойкость намного выше. Обычно керамзит выдерживает 100 и даже более циклов попеременного замораживания и оттаивания,

В последнее время по технологической схеме производства керамзита стали изготовлять пористые заполнители на базе кремнеземистого сырья: трепела, диатомита, опоки. В зависимости от структуры исходной породы сырье подсушивают и размалывают или сразу направляют в двухзальную глиномешалку, затем формуют гранулы на дырчатых вальцах и далее обжигают во вращающейся печи. Полученный пористый гравий характеризуется высокой прочностью 80—130 кгс/см2 при объемной насыпной массе 850—1070 кг/м3.