Цемент - исследование, испытания, проектирование.


Закрытое акционерное общество  
«Научно-испытательный центр «Гипроцемент-Наука»

Санкт-Петербург
+7 906 229-11-32

Легкие заполнители бетона (ЛЗБ) из отходов горнодобывающей промышленности


Л.Г.Бернштейн «Гипроцемент-Наука»


В настоящее время в отвалах и хвостохранилищах горных предприятий России накоплены огромные количества тонкодисперсных минеральных порошков, общая масса которых составляет примерно 25 млрд. тонн.

Сотрудники «Международного центра изучения заполнителей для бетонов» (International Center for Aggregates Research) совместно с «Технологическим исследовательским и образовательным фондом изучения заполнителей для бетона» (Aggregates Foundation for Technology, Research and Education) установили, что в отвалах на территории США уже накоплено 400 млн. т тонкозернистых отходов горной промышленности с размерами зерен менее 75 мкм. Эти материалы сейчас не находят практического применения. 

В работе по Федеральной целевой программе «Разработкатехнологических основ производства легких заполнителейбетонов на основе отходов горнодобывающей промышленности» (шифр 2009-05-1.5-17-01) показано, что существует возможность использовать эти отходы для производства ценной продукции – легких заполнителей бетонов (ЛЗБ).

В последние годы значительно повышены нормативные требования к теплозащите строящихся зданий.

Следствием этого решения явилось резкое сокращение объемов крупнопанельного домостроения, поскольку однослойные стеновые панели на керамзите обычно не удовлетворяют новым требованиям из-за повышенной теплопроводности . Производство трехслойных стеновых панелей с пенопластовым утеплителем не спасает положение по ряду технических причин.

В связи с изложенным, возникла идея разработать технологические решения для производства теплоизоляционного высокоэффективного заполнителя для бетонов из щебеночных отсевов дробильно-сортировочныхзаводов. Сырьем для его изготовления выбраны магматическиегорные породы, обладающие стабильным качеством. Этим они выгодно отличаются от глин, используемых при производстве керамзита.

Таким образом решается проблема использования отходов и повышения энергоэффективностиограждающих конструкций зданий и сооружений.


Технология получения легких заполнителей бетона из отходов горнодобывающей промышленности.

Суть разработанной технологии состоит в том, что отходы измельчаются,смешиваются с газообразователем, формуются с применением поверхностно-активного вещества, а затем подвергаются обжигу. В результате получаются прочные гранулы с замкнутыми порами.

Образцы полученных гранул приведены на слайде 4. Для осмотра пор гранулы разрезаны. Видно, что поры гранул замкнуты, поэтому водопогощение должно быть низким.

Основные характеристики получаемых гранул приведены на слайде 5.

Из рассмотрения этих характеристик следует, что полученные ЛЗБ по своим характеристикам превышают соответствующие характеристики керамзита.

ЛЗБотличается от керамзита тем, что для его производства используютсяне специальные вспучивающиеся глины, а обычные изверженные породы: граниты, базальты, сиениты.

Идея использо-ванияэтого материала выдвинута учеными-геологами Сибирского отделения АН России. На основании этих разработок создана технология и проведены эксперименты по получению ЛЗБ в лабораторных условиях.

Результаты испытаний показали, что полученный ЛЗБ вдвое легче, чем керамзит, имеет в 1,5 раза более низкий коэффициент теплопроводности и в 5 раз более низкий коэффициент водопоглощения.

То есть, создан новый строительный материал, который по своим свойствам может сыграть существенную роль в развитии строительной индустрии. На основе этого материала могут быть изготовлены однослойные стеновые панели, обладающие требуемыми теплозащитными характеристиками, что в конце концов, приведет к развитию крупнопанельного домостроения.

Открыть в полном размере

 

ИспользованиеЛЗБ может позволить производить железобетонные и бетонные изделия, обладающие повышенным термосопротивлением. Исследования бетонов, содержащих ЛЗБ в качестве заполнителя, показали перспективность этого направления.

Образцы бетонов, содержащие ЛЗБ в качестве заполнителя, представленына слайде 7. Видно, что в качестве заполнителя использованытолько гравийные частицы. Щебеночные частицы и легкий песок в испытаниях отсутствовали. Очевидно, что в случае освоения производства легкого щебня и песка, характеристики бетона могут быть улучшены. На слайде 8 представлена схема исследований, которая должна быть выполнена для разработки технических условий на изготовление промышленных линий производства легких бетонов и ЛЗБ для них.

Необходимо разработать требования к приготовлению сырьевой смеси, включая тонкость помола сырья и вспучивателяиих массовое соотношение для различных типов сырья (гранитов, базальтов, сиенитов и т.д.).

Требования к тщательности смешения сырья и вспучивателя для разных типов сырья.

Разработать требования к условиям тепловой обработки гранул и ленты для получения ЛЗБ оптимальных свойств.

Для обеспечения энергоэффективности производства предусмотреть охлаждение полученных материалов с возвратом теплосодержания в процесс.

Для лучших по качеству ЛЗБ провести подбор оптимальных составов заполнителей и испытания бетонных кубов с определением их теплофизических и строительно-технических характеристик: прочности, теплопроводности, морозостойкости, водонепроницаемости, шумоизоляции, и других характеристик.

Одновременно построенная экспериментальная линия производительностью 5-15 литров ЛЗБ в час позволит оценить ее экономическую эффективностьи себестоимость производимого ЛЗБ.

На основании полученных результатов появится возможность разработать техническое задание на строительство опытно-промышленной линии производительностью несколько кубометров в час.

 

Открыть в полном размере

 

 

Открыть в полном размере

 

Испытание легкого бетона на прочность.

 

Дилатометр ДОД 100.3 для определения морозостойкости бетона ускоренным способом.

 

Образцы легкого бетона, произведенного с использованием ЛЗБ , после испытаний на прессе.

 

На фото показан легкий бетон произведенный с использованием ЛЗБ. В нижней части кубика , плотностью 1300 кг/м3–бетон , обладающий теплоизоляционно-конструкционными свойствами . В верхней части -бетон теплоизоляционный с плотностью 800 кг/м3.

Рассмотрение и обобщение результатов испытаний позволяет сделать следующие выводы:

Полученные экспериментальные образцы ЛЗБ примерно в два раза легче применяемого в настоящее время керамзита. Этот вывод относитсяк насыпной плотности и средней плотности зерен. Приэтом истинная плотность у ЛЗБ примерно на 10% выше. Объясняется этот результат значительно более высокой пористостью зерен ЛЗБ, составляющей около 30%.

Следствием повышенной пористости гранул стала низкая теплопроводность, которая для керамзита составила 0,14 Вт/мºК, а для ЛЗБ 0,08 Вт/мºК. Это свойство дает основание надеяться на то, что применение ЛЗБ позволит получать ограждающие конструкции зданий, удовлетворяющих требованиям стандарта по теплозащите.

Серьезное преимущество новый заполнитель имеет перед керамзитомпо водопоглощению. Если для керамзита эта величина составляет для 1 часа и для 24 часов выдержки в воде 9,0 и 13,6% соответственно, то для ЛЗБ эти величины составляют 1,8 и 3 %. Это свойство дает гарантию того, что легкие заполнители не снизят своих теплозащитных свойств в бетоне.

Рассмотрение и обобщение результатов испытаний позволяет сделать следующие выводы:

1. Разработан новый строительный материал, позволяющий решить важную народно-хозяйственную задачу повышения энергоэффективностизданий и сооружений.

2. Производство ЛЗБ в потребном для строительства количестве, позволяет использовать десятки миллионов тонн отходов горнодобывающей промышленности

Для выхода на промышленное производство ЛЗБ необходимо построить опытную линию для отработки технологии. После этого можно переходить к строительству промышленной линии. На этой линии должны производиться два типа материалов: гранулы размером 10 и 20 мм и лист толщиной 10 мм для дробления и производства щебня ЛЗБ. Основные принципы создания опытной установки отражены в следующих девяти пунктах.

1. Использовать сухой способ производства.

В ранее выполнявшихся попытках организовать производство ЛЗБ для решения проблемы приготовления сырьевых гранул рассматривались способы, состоявшие в применении различного рода связующих материалов, которые после образования суспензии при смешении с водой, использовались для скрепления гранул исходного материала. Это вызывало необходимость применения дополнительной процедуры сушки гранул с соответствующими сушильными агрегатамии применением дополнительного энергоносителя. В данной работе выдвинута идея получения сырьевых гранул методом прессования.

Этот метод проверен экспериментально и оказался вполне пригодным для производства. Суть предложенного и апробированногометода состоит в том, что дисперсный материал, состоящий из смолотого отсева гранита и вспучивателя, помещается в пресс-форму и под давлением образует сырьевую гранулу, обладающую достаточной прочностью для помещения ее в обжиговый агрегат. Значение давления прессования выбрано в ходе экспериментов по критерию минимальной плотности получаемых после обжига гранул легкого заполнителя.

2. Использовать туннельную печь с отношением длины к диаметру не менее 20.

Суть процесса производства легких заполнителей состоит в достижении пиропластического состояния сырьевой смеси, которая вспучивается за счет выделяющегося газа при разложении вспучивателя. Особенность поведения гранул в этом процессе состоит в их способности слипаться между собой.

Поэтому, применение различного рода агрегатов, в которых гранулы имеют возможность соприкасаться между собой (вращающиеся печи, печи кипящего слоя, шахтные печи), приводит к необходимости применения разделяющих насадок (кварцевый песок, опудриватели, разделители), что существенно удорожает процесс производства. Применение туннельной печи лишено этого недостатка, однако способствует повышению расхода энергоносителя.

Проведенные оценки показали, что применение длинных туннельных печей с отношением длины к ширине транспортерной ленты более 20, позволяет добиться КПД установки, соизмеримые с лучшими тепловыми агрегатами.

3.Предусмотреть охлаждение гранул после обжига с утилизацией тепла в процессе.

После обжига при температуре 1200ºС гранулы имеют теплосодержаниеоколо 300 ккал/кг. Возврат этого количества тепла в процессможет существенно улучшить его технико-экономические показатели, но представляет собой задачу, требующую специальногорешения из-за низкой теплопроводности вспученных гранул.

Решение должно быть выработано на последующих стадиях разработки технологии.

4. Отказаться от использования различного рода связующих материалов.

Приведенные в пунктах 1 и 2 результаты подтверждают возможностьотказаться от связующих материалов, поскольку для обжига в туннельной печи не требуется высокая прочность сырьевых гранул, а отказ от связующих материалов позволяет существенно удешевить продукцию за счет отказа от технологического передела сушки и уменьшения энергозатрат.

5.Для приготовления сырьевых гранул рекомендуется использовать валковый формирующий пресс.

В ходе экспериментов установлено, что для различных материалов существует оптимальное давление прессованияс точки зрения получениянаиболее легких гранул заполнителя после обжига и обеспечения необходимой начальной прочности сырьевых гранул. Такое давление может обеспечить валковый пресс, широко применяемый, например, в цементной промышленности.

6.При выборе пресса предусмотреть получение оптимального гранулометрического состава ЛЗБ.

Заполнитель для бетона должен иметь фракционный состав, оптимальный с точки зрения максимальной плотности упаковки. В настоящее время этот вопрос решается за счет фракционирования заполнителя и дальнейшего смешения материала различных фракцийв заданном соотношении. В разрабатываемой технологии представляется возможным автоматизировать процесс приготовления заполнителя оптимального фракционного состава за счет применения соответствующей прессующей поверхности валкового пресса.

7.Обеспечить для каждого вида материала соответствующую тонкость помола сырья и вспучивателя.

8.Для обеспечения высококачественного смешения сырья и вспучивателя, применить высокоэффективный лопастной смеситель непрерывного действия.

9.Для обеспечения максимального теплового сопротивления бетонных изделий использовать наполнитель, состоящий из щебня (колотый ЛЗБ) фракций менее 10 мм и гравия фракций 10 и 20 милиметров (гранулированный ЛЗБ), легкого песка.

На слайде 23 приведена схема операций, которые необходимо осуществить на экспериментальной установке для разработки параметров режимов получения ЛЗБ и бетонных кубов легкого бетона. В результате работ будут определены основные параметры, необходимые для разработки технического задания на промышленную установку для производства ЛЗБ и легких бетонов.

Открыть в полном размере

 

PDF

 

Более 10

НАПРАВЛЕНИЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ


2005 год

ОСНОВАНА ЛАБОРАТОРИЯ


2006 год

ОСНОВАНА ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ

СТАТЬИ

Коллапс бетонных систем. Неудовлетворительное качество цемента как существенная причина.

Читать

«Отходное» производство. Санкт-Петербургские Ведомости.

Читать

Проект организационной структуры региональных испытаний цементов.

Читать
Все статьи

НОВОСТИ

  • 14 декабря 2014

    ЗАО «РУСТОНА»: Производство высокопрочного щебня из серпентинита. 

  • 1 августа 2014

    Внимание!
    Поиск финансового партнера. Всем заинтересованным лицам.

  • 16 февраля 2014

    Легкие заполнители бетона (ЛЗБ) из отходов горнодобывающей промышленности.