Производство керамзита

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 требования 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 примеси.

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

где V_К – 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, 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 насыпной плотности	Высшая категория качества		Первая категория качества
	Марка по прочности	Предел прочности при сдавливании  в цилиндре, МПа, не менее	Марка по прочности	Предел прочности при сдавливании  в цилиндре, 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.

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.

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.