1.Введение:
Керамзит представляет собой легкий пористый материал ячеистого строения
в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавких
глинистых пород, способных всучиваться при быстром нагревании их до
температуры 1050 – 1300 С в течение 25–45 мин. Качество керамзитового
гравия характеризуется размером его зерен, объемным весом и прочностью. В
зависимости от размера зерен керамзитовый гравий делят на следующие
фракции: 5 – 10, 10 – 20 и 20 – 40 мм, зерна менее 5 мм относят к
керамзитовому песку. В зависимости от объемного насыпного веса (в кг/м3)
гравий делят на марки от 150 до 800. Водопоглощение керамзитового гравия
8–20 %, морозостойкость должна быть не менее 25 циклов.
Керамзит применяют в качестве пористого заполнителя для легких бетонов,
а также в качестве теплоизоляционного материала в виде засыпок.
Керамзитовый гравий — частицы округлой формы с оплавленной
поверхностью и порами внутри. Керамзит получают главным образом в виде
керамзитового гравия. Зерна его имеют округлую форму. Структура пористая,
ячеистая. На поверхности его часто имеется более плотная корочка. Цвет
керамзитового гравия обычно темно-бурый, в изломе — почти черный. Его
получают вспучиванием при обжиге легкоплавких глин во вращающих печах.
Такой гравий с размерами зерен 5 – 40 мм морозоустойчив, огнестоек, не
впитывает воду и не содержит вредных для цемента примесей. Керамзитовый
гравий используют в качестве заполнителя при изготовлении легкобетонных
конструкций.
Керамзитовый щебень — заполнитель для легких бетонов произвольной
формы, преимущественно угловатой с размерами зерен от 5 до 40 мм,
получаемый путем дробления крупных кусков вспученной массы керамзита.
Некоторые глины при обжиге вспучиваются. Например, при производстве
глиняного кирпича один из видов брака— пережог — иногда сопровождается
вспучиванием. Это явление использовано для получения из глин пористого
материала — керамзита.
Вспучивание глины при обжиге связано с двумя процессами: газовыделением
и переходом глины в пиропластическое состояние.
Источниками газовыделения являются реакции восстановления окислов
железа при их взаимодействии с органическими примесями, окисления этих
примесей, дегидратации гидрослюд и других водосодержащих глинистых
минералов, диссоциации карбонатов и т. д. В пиропластическое состояние
глины переходят, когда при высокой температуре в них образуется жидкая фаза
(расплав), в результате чего глина размягчается, приобретает способность к
пластической деформации, в то же время становится газонепроницаемой и
вспучивается выделяющимися газами.
Для изготовления керамзитобетонных изделий нужен не только керамзитовый
гравий, но и мелкий пористый заполнитель. Керамзитовый песок — заполнитель
для легких бетонов и растворов с размером частиц от 0,14 до 5 мм получают
при обжиге глинистой мелочи во вращающих и шахтных печах или же дроблением
более крупных кусков керамзита.
Производство керамзитового песка по обычной технологии во вращающейся
печи неэффективно. Некоторая примесь песчаной фракции получается при
производстве керамзитового гравия за счет разрушения части гранул в
процессе термообработки, однако он сравнительно тяжелый, так как мелкие
частицы глинистого сырья практически не вспучиваются (резервы
газообразования исчерпываются раньше, чем глина переходит в
пиропластическое состояние). Кроме того, в зоне высоких температур мелкие
гранулы разогреваются сильнее крупных, при этом, возможно, их оплавление и
налипание на зерна гравия.
На многих предприятиях керамзитовый песок получают дроблением
керамзитового гравия, преимущественно в валковых дробилках. Себестоимость
дробленого керамзитового песка высока не только в связи с дополнительными
затратами на дробление, но главным образом потому, что выход песка всегда
меньше объема дробимого гравия. Коэффициент выхода песка составляет
0,4—0,7, т. е. в среднем из 1 м3 гравия получают только около 0,5 м3
дробленого керамзитого песка. При этом почти вдвое возрастает его насыпная
плотность.
В настоящее время при получении керамзитового песка лучшей считают
технологию его обжига в кипящем слое.
В вертикальную печь загружается глиняная крошка крупностью до 3 или 5
мм, получаемая дроблением подсушенной глины или специально приготовленных
по пластическому способу и затем высушенных гранул. Через решетчатый
(пористый) под печи снизу под давлением подают воздух и газообразное
топливо (или же горячие газы из выносной топки). При определенной скорости
подачи газов слой глиняной крошки разрыхляется, приходит в псевдоожиженное
состояние, а при ее увеличении как бы кипит. Газообразное топливо сгорает
непосредственно в кипящем слое. Благодаря интенсификации теплообмена в
кипящем слое происходит быстрый и равномерный нагрев материала. Частицы
глины обжигаются и вспучиваются примерно за 1,5 мин. Перед подачей в печь
обжига глиняная крошка подогревается в кипящем слое реактора
термоподготовки примерно до 300 °С, а готовый песок после обжига
охлаждается в кипящем слое холодильного устройства. Насыпная плотность
получаемого керамзитового песка— 500—700 кг/м3. К зерновому составу
керамзитового песка предъявляются требования, аналогичные требованиям к
природному песку, но крупных фракций в нем должно быть больше.
Проблему получения керамзитового песка, достаточно эффективного по
свойствам и себестоимости, нельзя считать полностью решенной. Часто при
получении керамзитобетона в качестве мелкого заполнителя применяют
вспученный перлит, а также природный песок.
Сырье.
Сырьем для производства керамзита служат глинистые породы, относящиеся
в основном к осадочным горным. Некоторые камнеподобные глинистые породы
— глинистые сланцы, аргиллиты — относятся к метаморфическим.
Глинистые породы отличаются сложностью минералогического состава и,
кроме глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.)
содержат кварц, полевые шпаты, карбонаты, железистые, органические принеси.
Глинистые минералы слагают глинистое вещество — наиболее дисперсную
часть глинистых пород (частицы мельче 0,005 мм). Собственно глинами
называют глинистые породы, содержащие более 30% глинистого вещества.
Для производства керамзита наиболее пригодны монт-мориллонитовые и
гидрослюдистые глины, содержащие не более 30% кварца. Общее содержание SiO2
должно быть не более 70%, А12О3 — не менее 12% (желательно около 120%),
Fe2O3 + FeO — до 10%, органических примесей -1-2%.
Пригодность того или иного глинистого сырья для производства керамзита
устанавливают специальным исследованием его свойств. Важнейшее из
требований к сырью -вспучивание при обжиге.
Вспучиваемость характеризуется коэффициентом вспучивания
[pic]
где VК — объем вспученной гранулы керамзита;
Vc — объем сухой сырцовой гранулы до обжига.
Второе требование к сырью (в значительной степени связанное с первым) —
легкоплавкость. Температура обжига должна быть не выше 1250°С, и при этом
переход значительной части наиболее мелких глинистых частиц в расплав
должен обеспечить достаточное размягчение и вязкость массы. Иначе
образующиеся при обжиге глины газы, не удерживаемые массой, свободно
выйдут, не вспучив материал.
Третье из важнейших требований — необходимый интервал вспучивания. Так
называют разницу между предельно возможной температурой обжига и
температурой начала вспучивания данного сырья. За температуру начала
вспучивания принимают ту температуру, при которой уже получается керамзит с
плотностью гранулы 0,95 г/см3. Предельно возможной температурой обжига
считается температура начала оплавления поверхности гранул.
Для расширения температурного интервала вспучивания используют такой
прием, как опудривание сырцовых глиняных гранул порошком огнеупорной глины,
что позволяет повысить температуру обжига и при этом избежать оплавления
гранул.
Применение.
Наиболее широкое применение керамзитобетон находит в качестве стенового
материала. В ряде районов страны стеновые панели из керамзитобетона стали
основой массового индустриального строительства. Особенно эффективно
применение для стеновых панелей хорошо вспученного легкого керамзитового
гравия марок 300, 400, до 500 (по насыпной плотности).
Плотность конструкционно-теплоизоляционного керамзитобетона для
однослойных стеновых панелей, как правило, составляет 900—1100 кг/м3,
предел прочности при сжатии — 5—7,5 МПа. Такой бетон в конструкции
выполняет одновременно несущую и теплоизоляционную функции. В двух- или
трехслойных стеновых панелях требуемую несущую способность может обеспечить
слой (или два слоя) конструкционного керамзитобетона, а теплозащитную —
слой крупнопористого теплоизоляционного керамзитобетона плотностью 500—600
кг/м3.
Исследования, проведенные в Белорусском политехническом институте
(С.М.Ицкович, Г.Т.Широкий и др.), Алма-Атинском НИИстромпроекте
(М.3.Вайнштейн, В.П.Грицай и др.), Уралниистромпроекте (Г.В.Геммер-линг,
А.Н.Чернов и др.), показали, что переход от однослойной конструкции
панелей к двух- или трехслойной с разделением несущей и теплозащитной
функций стен и возложением их на соответствующие слои конструкционного и
теплоизоляционного керамзитобетона повышает качество и надежность панелей,
снижает их материалоемкость.
Теплоизоляционный крупнопористый керамзитобетон - самый легкий бетон,
который можно получить на данном заполнителе. Его плотность при минимальном
расходе цемента лишь немного больше насыпной плотности керамзитового
гравия.
На керамзите марок 700, 800 получают конструкционные легкие бетоны с
пределом прочности при сжатии 20, 30, 40 МПа, используемые для производства
панелей перекрытий и покрытий, в мостостроении, где особенно важно снизить
массу конструкций.
2.Номенклатура
В ГОСТ 9759—76 предусматриваются следующие фракции керамзитового гравия
по крупности зерен: 5—10, 10— 20 и 20—40 мм. В каждой фракции допускается
до 5% более мелких и до 5% более крупных зерен по сравнению с номинальными
размерами. Из-за невысокой эффективности грохочения материала в барабанных
грохотах трудно добиться разделения керамзита на фракции в пределах
установленных допусков.
По насыпной плотности керамзитовый гравий подразделяется на 10 марок:
от 250 до 800, причем к марке 250 относится керамзитовый гравий с насыпной
плотностью до 250 кг/м3, к марке 300 — до 300 кг/м3 и т. д. Насыпную
плотность определяют по фракциям в мерных сосудах. Чем крупнее фракция
керамзитового гравия, тем, как правило, меньше насыпная плотность,
поскольку крупные фракции содержат наиболее вспученные гранулы.
Для каждой марки по насыпной плотности стандарт устанавливает
требования к прочности керамзитового гравия при сдавливании в цилиндре и
соответствующие им марки по прочности (табл.). Маркировка по прочности
позволяет сразу наметить область рационального применения того или иного
керамзита в бетонах соответствующих марок. Более точные данные получают при
испытании заполнителя в бетоне
Требования к прочности керамзитового гравия
|Марка по |Высшая категория качества |Первая категория качества |
|насыпной | | |
|плотности | | |
| |Марка по |Предел |Марка по |Предел |
| |прочности |прочности при|прочности |прочности при|
| | |сдавливании в| |сдавливании в|
| | |цилиндре, | |цилиндре, |
| | |МПа, не менее| |МПа, не менее|
|250 |П35 |0,8 |П25 |0,6 |
|300 |П50 |1 |П35 |0,8 |
|350 |П75 |1,5 |П50 |1 |
| 400 |П75 |1,8 |П50 |1,2 |
|450 |П100 |2,1 |П75 |1,5 |
|500 |П125 |2,5 |П75 |1,8 |
|550 |П150 |3,3 |П100 |2,1 |
|600 |П150 |3,5 |П125 |2,5 |
| 700 |П200 |4,5 |П150 |3,3 |
|800 |П250 |5,5 |П200 |4,5 |
Прочность пористого заполнителя - важный показатель его качества.
Стандартизована лишь одна методика определения прочности пористых
заполнителей вне бетона — сдавливанием зерен в цилиндре стальным пуансоном
на заданную глубину. Фиксируемая при этом величина напряжения принимается
за условную прочность заполнителя. Эта методика имеет принципиальные
недостатки, главный из которых — зависимость показателя прочности от формы
зерен и пустотности смеси. Это настолько искажает действительную прочность
заполнителя, что лишает возможности сравнивать между собой различные
пористые заполнители и даже заполнители одного вида, но разных заводов.
Методика определения прочности керамзитового гравия основана на испытании
одноосным сжатием на прессе отдельных гранул керамзита. Предварительно
гранулу стачивают с двух сторон для получения параллельных опорных
плоскостей. При этом она приобретает вид бочонка высотой 0,6—0,7 диаметра.
Чем больше количество испытанных гранул, тем точнее характеристика средней
прочности. Чтобы получить более или менее надежную характеристику средней
прочности керамзита, достаточно десятка гранул.
Испытание керамзитового гравия в цилиндре дает лишь условную
относительную характеристику его прочности, причем сильно заниженную.
Установлено, что действительная прочность керамзита, определенная при
испытании в бетоне, в 4-5 раз превышает стандартную характеристику. К
такому же выводу на основе опытных данных пришли В. Г. Довжик, В. А. Дорф,
М. 3. Вайнштейн и другие исследователи.
Стандартная методика предусматривает свободную засыпку керамзитового
гравия в цилиндр и затем сдавливание его с уменьшением первоначального
объема на 20%. Под действием нагрузки прежде всего происходит уплотнение
гравия за счет некоторого смещения зерен и их более компактной укладки.
Основываясь на опытных данных, можно полагать, что за счет более плотной
укладки керамзитового гравия достигается уменьшение объема свободной
засыпки в среднем на 7%. Следовательно, остальные 13% уменьшения объема
приходятся на смятие зерен (рис.1).Если первоначальная высота зерна D, то
после смятия она уменьшается на 13%.
Рис. 1. Схема сдавливания зерен керамзита при испытании
Рис.2. Схема укладки зерен керамзита
Высококачественный керамзит, обладающий высокой прочностью, как
правило, характеризуется относительно меньшими, замкнутыми и равномерно
распределенными порами. В нем достаточно стекла для связывания частичек в
плотный и прочный материал, образующий стенки пор. При распиливании гранул
сохраняются кромки, хорошо видна корочка. Поверхность распила так как
материал мал
Водопоглощение заполнителя выражается в процентах от веса сухого
материала. Этот показатель для некоторых видов пористых заполнителей
нормируется (например, в ГОСТ 9759—71). Однако более наглядное
представление о структурных особенностях заполнителей дает показатель
объемного водопоглощения.
Поверхностные оплавленные корочки на зернах керамзита в начальный
период (даже при меньшей объемной массе в зерне и большей пористости) имеют
почти в два раза ниже объемное водопоглощение, чем зерна щебня. Поэтому
необходима технология гравиеподобных заполнителей с поверхностной
оплавленной корочкой из перлитового сырья, шлаковых расплавов и других
попутных продуктов промышленности (золы ТЭС, отходы углеобогащения).
Поверхностная корочка керамзита в первое время способна задержать
проникновение воды вглубь зерна (это время соизмеримо со временем от
изготовления легкобетонной смеси до ее укладки). Заполнители, лишенные
корочки, поглощают воду сразу, и в дальнейшем количество ее мало
изменяется..
Между водопоглощением и прочностью зерен в ряде случаев существует
тесная корреляционная связь. Чем больше водопоглощение, тем ниже прочность
пористых заполнителей. В этом проявляется дефектность структуры материала.
Например, для керамзитового гравия коэффициент корреляции составляет 0,46.
Эта связь выявляется более отчетливо, чем связь прочности и объемной массы
керамзита (коэффициент корреляции 0,29).
Для снижения водопоглощения предпринимаются попытки предварительной
гидрофоби-зации пористых заполнителей. Пока они не привели к существенным
положительным результатам из-за невозможности получить нерасслаивающуюся
бетонную смесь при одновременном сохранении эффекта гидрофобизации.
Особенности деформативных свойств предопределяются пористой
структурой заполнителей. Это, прежде всего, относится к модулю упругости,
который существенно ниже, чем у плотных заполнителей Собственные деформации
(усадка, набухание) искусственных пористых заполнителей, как правило,
невелики. Они на один порядок ниже деформаций цементного камня. При
исследованиях деформаций керамзита все образцы при насыщении водой дают
набухание, а при высушивании — усадку, но величина деформаций разная. После
первого цикла половина образцов показывает остаточное расширение, после
второго — три четверти, что свидетельствует об изменении структуры
керамзита. Средняя величина усадки после первого цикла 0,14 мм/м, после
второго — 0,15 мм/м. Учитывая, что гравий в бетоне насыщается и
высушивается в меньшей степени, реальные деформации керамзита в бетоне
составляют лишь часть этих величин. Пористые заполнители оказывают
сдерживающее влияние на деформации усадки (и ползучести) цементного камня в
бетоне, в результате чего легкий бетон имеет меньшую деформативность, чем
цементный камень.
Другие важные свойства пористых заполнителей, влияющие на качество
легкого бетона— морозостойкость и стойкость против распада (силикатного и
железистого), а также содержание водорастворимых сернистых и сернокислых
соединений. Эти показатели регламентированы стандартами.
Искусственные пористые заполнители, как правило, морозостойки в
пределах требований стандартов. Недостаточная морозостойкость некоторых
видов заполнителей вне бетона не всегда свидетельствует о том, что легкий
бетон на их основе также неморозостоек, особенно если речь идет о требуемом
количестве циклов 25—35. Заполнители легких бетонов, предназначенных для
тяжелых условий эксплуатации, не всегда удовлетворяют требованиям по
морозостойкости и потому должны тщательно исследоваться.
На теплопроводность пористых заполнителей, как и других пористых тел,
влияют количество и качество (размеры) воздушных пор, а также влажность.
Заметное влияние оказывает фазовый состав материала. Аномалия в
коэффициенте теплопроводности связана с наличием стекловидной фазы. Чем
больше стекла, тем коэффициент теплопроводности для заполнителя одной и той
же плотности ниже. С целью стимулирования выпуска заполнителей с лучшими
теплоизоляционными свойствами для бетонов ограждающих конструкций
предлагают нормировать содержание шлакового стекла (например, для
высококачественной шлаковой пемзы 60—80%) .
Искусственные пористые пески — это в основном продукты дробления
пористых кусковых материалов (шлаковая пемза, аглопорит) и гранул
(керамзит). Специально изготовленные вспученные пески (перлитовый,
керамзитовый) пока не занимают доминирующего положения.
Большое преимущество дробленых песков — возможность их производства в
комплексе с производством щебня. Однако это обстоятельство обусловливает и
существенные недостатки в качестве песка. Являясь попутным продуктом при
дроблении материала на щебень, песок в ряде случаев не соответствует
требуемому гранулометрическому составу для производства легкого бетона.
Очень часто песок излишне крупный, не содержит в достаточном количестве
наиболее ценной для обеспечения связности и подвижности бетонной смеси
фракции размером менее 0,6 мм
Насыпная объемная масса пористых песков еще в меньшей степени, чем
крупных заполнителей, характеризует их истинную «легкость». Малая объемная
масса песка часто достигается за счет не внутризерновой, а междузерновой
пористости вследствие специфики зернового состава (преобладание зерен
одинакового размера). При введении в бетонную смесь такой песок не
облегчает бетон, а лишь повышает его водопотребность. Очевидно, для
улучшения качества пористого песка необходим специальный технологический
передел дробления материала на песок заданной гранулометрии, а не попутное
получение песка при дроблении на щебень.
Производство дробленого керамзитового песка, особенно при преобладании
в нем крупных фракций, нельзя признать рациональным. Крупные фракции
(размером 1,2—5 мм) дробленого песка мало улучшают удобоукладываемость
смеси, но вызывают повышение ее объемной массы из-за наличия открытых пор и
повышенной пустотности. Вспученный (в печах «кипящего слоя») керамзитовый
песок производится пока в небольшом количестве. По физико-техническим
показателям он лучше дробленого песка. Прежде всего меньше его
водопоглощение.
Характеристика вспученных и дробленых песков по фракциям:
50% составляет фракция 1,2—5 мм. Поэтому в легком бетоне приходится
снижать расход керамзитового гравия, что нерационально (заменять гравий
песком).
С уменьшением объемной массы пористых заполнителей (насыпной и в зерне)
их пористость и водопоглощение увеличиваются. Однако водопоглощение,
отнесенное к пористости зерен, уменьшается, что указывает на увеличение
«закрытой» пористости у более легких ма- териалов.
Свойства легкого бетона.
Удобоукладываемость легких бетонных смесей оценивают теми же методами,
которые применяют для бетонных смесей на плотных заполнителях.
Подбор количества воды затворения по заданному показателю
удобоукладываемости затруднен тем, что последний зависит от характера
применяемого пористого заполнителя.
Основы теории легких бетонов, а также общий метод подбора оптимального
количества воды затворения для легкобетонной смеси разработаны Н. А.
Поповым. Этот метод основан на зависимости прочности и коэффициента выхода
легкого бетона от расхода воды
Кривая зависимости прочности от расхода воды имеет две ветви. Левая
(восходящая) показывает, что прочность бетона при повышении расхода воды
постепенно возрастает. Это объясняется увеличением удобоукладываемости
бетонной смеси и плотности бетона. Правая (нисходящая) ветвь кривой
свидетельствует о том, что после достижения наибольшего уплотнения смеси
(т. е. минимального коэффициента выхода) увеличение расхода воды приводит к
возрастанию объема пор, образованных не связанной цементом водой, и к
понижению прочности бетона. В легком бетоне
|
