Керамзитовый гравий из высококремнеземистых суглинков Западной Сибири с композиционными добавками-отходами

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 г. предусмотрено дальнейшее повышение производительности труда и качества выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости и энергозатрат. Важнейшим направлением технического прогресса в современном строительстве является снижение массы конструкций за счет применения высокоэффективных легких заполнителей. Для индустриально развитой Западной Сибири, где не имеется естественных заполнителей для бетонов и пористых отходов производства, первостепенное значение имеет задача изготовления из местного сырья искусственных пористых заполнителей, в первую очередь керамзита.

С точки зрения наличия кондиционного сырья для производства керамзита со средней маркой не выше 500 кг/м3, в районах Западной Сибири дело обстоит не совсем благополучно. Покровная толща Западно-Сибирской низменности, по Ф. А. Никитенко /82,83/, состоит из высокозакварцованных лёссовидных суглинков эолового происхождения. Все месторождения суглинков, разработанные и разрабатываемые, прежде всего, в Новосибирской области (Мокрушихинское, Новоникольское и многие другие), являются типичными лёссовидными суглинками с низкой связующей способностью, низкими формовочными свойствами и малым коэффициентом вспучивания. При этом суглинки обладают повышенной чувствительностью к сушке и так называемой ложной пластичностью, или зыбкостью. Структура керамзитового гравия получается неравномерная, с кавернами, хрупкая, с достаточно высокой насыпной плотностью — до 700−800 кг/м3, что дает возможность готовить бетоны плотностью не ниже I000-II00 кг/м3.

Важнейшей задачей в создавшихся условиях является снижение марки керамзита и обеспечение ее стабильности, что дает экономию 0,7−0,8 руб./м3 при снижении керамзита на одну марку /III/.

Используя данные исследований ряда отечественных и зарубежных ученых: Будникова П. П., Гервидса И. А., Онацкого С. П., Книгиной Г. И., Рогового Н. И., Нехорошева А. В., Новопашина А. А. и др., следует заниматься поисками корректирующих добавок к лёссовидным суглинкам. Сотрудники кафедры строительных материалов и проблемной лаборатории НИСИ им. В. В. Куйбышева, выполняя эти работы с 1972;1974 гг., изучили корректирующие добавки Омской и Кемеровской областей. В основном это отходы производства нефтехимии, металлообработки и горной промышленности.

Цель работы.

Повысить качество керамзитового гравия из высококремнеземистого сырья путем применения композиционных добавок-отходов различных производств, за счет чего сократить расход материальных ресурсов, в т. ч. топливно-энергетических, и обеспечить охрану окружающей средыразработать методы оценки и подбора корректирующих добавок.

Объекты исследований.

В данной работе проведены исследования на суглинках нового месторождения керамзитового сырья Новосибирской области — Новоникольского I — в сравнении с ранее изученным сырьем сибирских месторождений Кемеровской и Омской областей, а также высококачественным керамзитовым сырьем Смышляевского месторождения Куйбышевской области.

В качестве корректирующих органических добавок исследованы отработанные нефтепродукты авиационного завода г. Новосибирска. Для сравнения с ними были испытаны известные продукты моторное топливо, мазут топочный. Для синтезирования органоже-лезистого корректирующего комплекса в качестве железистых добавок приняты отход завода им. А. Н. Кузьмина — шлам оборотного цикла и отход олеумного завода г. Бийска — пиритные огарки.

Необходимым элементом шихты на основе «тощих» суглинков является поверхностно-активное вещество, которое одновременно дополняет органический компонент. В частности, исследован отход жирового комбината — глицериновый гудрон.

Работа, выполняемая для г. Новосибирска, включена в координационный план важнейших научно-исследовательских работ на I98I-I985 гг. по технологии производства искусственных пористых заполнителей Министерства промышленности строительных материалов СССР, а также в координационный план Минвуза РСФСР по проблеме «Экологическая технология» (письмо проблемного совета № XT-38−2/I38 от 18.12.80 г.).

Методы исследований.

Основные исследования проведены на установках в проблемной лаборатории кафедры строительных материалов и спецтехнологий НИСИ им. В. В. Куйбышева. Для определения минералогического состава исходных компонентов глиняной шихты применялись методы дифрактометрии и дериватографии. Химический анализ дополнил данные указанных методов. Теплота смачивания, гидрофильность исследуемых суглинков и шихт на их основе изучались на дифференциальном микрокалориметре конструкции ТПИ-НИСИ.

Некоторые специальные исследования выполнены в научных лабораториях Института органической химии СО АН СССР, СНИИГГИМСа, ИХТТИМСа СО АН СССР.

Изучение формирования макрои микроструктуры глинистых гранул по мере их нагревания и прежде всего определение количественных характеристик пористости проводились при помощи комплекса методов: ртутно-вакуумной порометрии и электронной микроскопии (в Институте катализа СО АН СССР).

Для подбора оптимальных составов шихт применен метод рационального математического планирования эксперимента. Результаты обработаны на ЭВМ.

Оценка кондиционности керамзита производилась по ГОСТу 9759−83 «Гравий и песок керамзитовые. Технические условия», физико-химическая стойкость — по ГОСТу 9758−77.

Научная новизна.

Установлены особенности поведения пылевидного кремнезема в пространственной системе минерального каркаса гранул керамзита. Показано влияние органических веществ на процесс растворения частиц кварца в период обжига. Экспериментально подтверждено влияние на поризацию суглинка добавок различного углеводородного состава, наибольший эффект вспучивания по сравнению с добавками ароматического ряда обеспечивают нафте-нопарафиновые углеводороды. Предложено группировать органические составляющие в зависимости от вещественного состава с учетом механизма их действия. Изучено влияние добавок на фазовый состав и формирование макрои микроструктуры керамзита из высококремнеземистых суглинков.

Автор защищает:

— способ снижения насыпной плотности керамзитового гравия из высококремнеземистых суглинков за счет корректирования состава шихты органическими или органожелезистыми добавками-отходами;

— новый способ определения степени вспучивания глинистых пород с помощью нагревательного микроскопа, который позволяет сократить время и повысить точность получаемых результатов;

— экспериментальные данные по изучению влияния предлагавмых добавок на твердофазовые термические превращения глинистых минералов и на накопление жидкой фазы;

— основные закономерности формирования пористой структуры керамзита из высококремнеземистых суглинков с добавками;

— найденные параметры зависимости средней плотности керамзита от комплекса определяющих технологических факторов;

— метод прогнозирования насыпной плотности керамзита по результатам контейнерного обжига во вращающихся печах сырцовых гранул, полученных в лабораторных условиях;

— технико-экономическую эффективность внедрения предложенных добавок-отходов в заводскую технологию.

Практическое значение.

— обоснована возможность снижения насыпной плотности керамзитового гравия из высококремнеземистых суглинков за счет корректирования шихт эффективными добавками-отходами;

— подобраны и апробированы в производстве композиционные добавки-отходы ряда отраслей промышленности;

— получена математическая зависимость средней плотности керамзита от комплекса технологических факторов, позволяющая в производственных условиях корректировать технологические параметры и прогнозировать эффективность проводимых мероприятий;

— разработаны предложения по реконструкции технологической линии производства керамзита с комплексом рекомендуемых добавок (для г. Новосибирска).

Реализация результатов.

На новосибирском керамзитокирпичном заводе треста «Желео зобетон» изготовлены опытные партии керамзита объемом 600 м из шихт с рекомендуемыми добавками. Насыпная плотность заполнителя снижена до 530−550 кг/м3 по сравнению с 620 кг/м3 при использовании моторного топлива. Керамзит удовлетворяет всем требованиям ГОСТа 9759−83.

По подсчетам экономистов завода годовой экономический эффект от внедрения предложенных добавок-отходов только по основным статьям затрат составит 40−67 тыс. руб. при производительности 74 тыс. м3/год. с применением композиционных добавок совместно с опудриванием эффект возрастет до 58−85 тыс. руб. и составит 0,91−1,2 руб. на I м3 керамзита.

Подготовлена и передана для внедрения в Главновосибирск-строй инструкция по применению некоторых добавок-отходов в производстве керамзита. Рекомендуемые добавки могут быть использованы другими керамзитовыми заводами, работающими на некондиционном высококремнеземистом сырье.

Апробация работы Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях НИСИ им. В. В. Куйбышева (19 821 984 гг.) — на научно-технической конференции НТО Стройиндуст-рии «Молодежь и научно-технический прогресс в строительстве» (Новосибирск, 1983 г.) — на координационном совете по пористым заполнителям (НИИКерамзит, 1984 г.) — на технических советах Главновосибирскстроя и Новосибирского керамзитокирпичного завода. Работа экспонировалась на Всероссийской выставке «Комплексное использование природных ресурсов» (Томск, 1984 г.), получен диплом II степени. В полном объеме работа доложена на расширенном заседании научного семинара кафедры строительных материалов и специальных технологий НИСИ им. В. В. Куйбышева с участием ряда смежных кафедр (Новосибирск, 1984 г.).

Основные положения работы опубликованы в II печатных работах и двух заявках на изобретения, по которым получены положительные решения ВНИИГПЭ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 141 странице основного текста, содержит 59 рисунков, 25 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии, включающей 135 источников, и 22 приложений на 38 страницах. Всего 193 страницы.

В конце четырех предыдущих глав диссертационной работы приведены выводы, в которых изложены основные теоретические положения и предпосылки, а также практические и экспериментальные данные выполненных исследований. Предлагаемое заключение частично дублирует некоторые пункты этих выводов, так как подводит итоги всех проведенных исследований, включая материалы пятой главы.

I. Исследованные в настоящей работе глинистые породы месторождений Новосибирской, Омской и Кемеровской областей идентичны по составу и свойствам и являются характерными представителями лёссовидных суглинков Западной Сибири. Аномалии технологических свойств сырья — «псевдопластичность», деструкция при сушке, взрываемость, низкая вспучиваемость и слабая газо-удерживающая способность — объясняются лёссовым составом, представленным в основном кремнеземом (до 70 $), в том числе свободным до 53%, глинистыми в малых количествах (7−20%), железистыми оксидами (4−5 и органическими веществами (до I $). Минералогический состав глинистой фракции изучен методами петрографии и дериватографии, а также по разработанной методике подготовки проб на рентгеновской установке и представлен гидрослюдой с присутствием каолинита и хлорита, примесью кварца, полевых шпатов, карбонатов. Породы отличаются слабой способностью к поризации (Квсп = 1,3−2,2) в узком интервале температур (15−50 °с), короткоплавкостью.

Предложен новый способ определения степени вспучивания глинистых пород с помощью нагревательного микроскопа МН0−2, который повышает точность, снижает трудоемкость и сокращает время проведения определения. Данный способ позволил исследовать глинистые породы на всех этапах обжига с помощью фотографирования непосредственно в печи на одних и тех же образцах, что важно при неоднородности глинистых пород.

Исследования суглинков Новоникольского месторождения подтвердили их слабую вспучиваемость (коэффициент вспучивания не более 2) и отсутствие интервала вспучивания. На способ определения степени вспучивания глинистых пород получено положительное решение Госкомитета по делам изобретений и открытий № 3 582 578/29−33 от 9.07.84 г.

2. В качестве добавок изучены органические компоненты групп СпНь, и СхНу02, предложена их группировка в зависимости от процесса поризации. Поризация шихт с твердыми органическими добавками (графит, опилки и т. д.) происходит за счет выгорания этих компонентов, т. е. образование пор идет физическим путемвспучивание при этом отмечается лишь в небольшой степени. Физико-химический эффект вспучивания с участием летучих компонентов исследуемых групп следует увязывать с их непосредственным участием в структурообразовании путем отложения частиц исходного вещества из газовой фазы в микрои макротрещины или путем замещения в основной массе твердого тела.

3. Впервые исследован отход авиационного завода — отработанные нефтепродукты (CiMm), представляющий собой жидкий продукт, сливаемый в бассейны-накопители, где происходит его расслоение. В верхнем слое скапливаются нефтепродукты.

Установлено, что высококремнеземистые суглинки лучше вспучиваются при введении в шихту отработанных нефтепродуктов, кипящих в интервале температур 200−350 °С. Влияние органических добавок на вспучиваемость следует связывать не только с фракционным, но и с вещественным составом продуктов. Исследованный отход содержит преимущественно нафтенопарафиновые углеводороды до 72 характеризующиеся более высокой теплотой сгорания, чем углеводороды ароматического ряда, например моторное топливо. Несмотря на имеющиеся различия во фракционном и углеводородном составе продуктов, отработанные нефтепродукты авиационного завода могут служить полноценной заменой моторного топлива. При оптимальном содержании их в шихте (0,5% по массе) средние плотности керамзита составляют 0,55−0,57 г/см3.

Предлагаемая добавка менее чувствительна к изменению ее дозировки, что весьма важно для производственных условий.

Среди исследованных попутных продуктов найдено водорастворимое вещество, имеющее органическую основу и проявляющее поверхностно-активные свойства. Это глицериновый гудронотход жирового комбината, образующийся после дистилляции глицерина. ПАВ гидрофилизует «тощее» суглинистое сырье, повышает прочность полуфабриката на 10−20%, уменьшает воздушную усадку на 1,5 Добавка позволяет снизить среднюю плотность керамзита с 1,2 (без добавки) до 0,51 г/см3 (по заявке на изобретение получено положительное решение № 3 786 640/29−33 от 28.11.84 г.).

5. В дополнение к работам сотрудников кафедры строительных материалов и спец. технологий НИСИ им. В. В. Куйбышева по v изучению железосодержащих отходов исследован отход металлургического завода им. iV.Н.Кузьмина — шлам оборотного цикла. Для сравнения рассматривалась традиционная, применявшаяся ранее добавка — пиритные огарки (отход олеумного завода г. Бийска), Железистый комяёнент исследуемых добавок представлен гематитом, магнетитом, вюститом. Шлам оборотного цикла содержит также масляную составляющую в количестве 3−5 Действие добавок на пирохимическую активность суглинка осуществляется за счет дисперсной минеральной части, а также газообразующих компонентов и каталитического влияния железа на окислительно-восстановительные процессы.

6. Получены уравнения множественной регрессии, отражающие модель образования керамзита с минимальной средней плотностью под воздействием факторов-аргументов. Данные уравнения могут быть использованы как для краткосрочного прогнозирования качества продукции, так и для прогнозирования эффективности мероприятий, связанных с получением низких марок керамзита, особенно в заводских условиях при изменении параметров технологического процесса. При помощи уравнений регрессии получены оптимальные значения параметров для минимальной средней плотности: для трехфакторного эксперимента — содержание органической добавки — 1,05 температура термоподготовки — 300 °Стемпература обжига — 1220 °Сдля четырехфакторного — содержание органической составляющей — I железистой — 4% (в пересчете на Fe203) — температура термоподготовки — 200 °Стемпература обжига — 1220 °C.

7. Применение органических добавок позволяет сдвинуть твердофазовые термические превращения глинистых минералов в сторону низких температур. При нагреве образца с добавкой I % отработанных нефтепродуктов переход каолинита в метакаолинит наступает при 600 °C, т. е. несколько раньше. Вводимые добавки делают структуру глинистых минералов неупорядоченной, о чем свидетельствуют данные микрокалориметрии. При обжиге образцов с добавкой от 300 до 900 °C отмечено увеличение удельной поверхности до 38 м^/г, без добавки — до 27,4 м^/г. Данные поро-метрии в этом температурном интервале показывают повышенную степень неоднородности распределения пор.

8. Использование жидких органических добавок позволяет получить достаточное количество поризованного расплава, обеспечивает создание прочного каркаса структуры, близкой к стереорегулярной. Пористость возрастает в 1,5 раза и составляет 77,2 Я". Исследования показали, что особенности формирования пористой структуры гранул из суглинка с предлагаемыми добавками аналогичны таковым хорошовспучивающегося сырья Смышляевско-го месторождения.

9. Применяя органические и органожелезистые композиции добавок, удалось максимально раздвинуть температурный интервал активизации слабопоризующегося сырья.

Метод количественного рентгеноструктурного анализа позволил проследить за растворением Si02 под действием вводимых добавок. Накопление жидкой фазы начинается на 100−200 °С раньше и происходит в интервале температур 900−1200 °С. Концентрация Si0г в образцах, обожженных при оптимальной температуре, уменьшилась с 29−31% (без добавок) до 17% с органической составляющей и до 13% с органожелезистой. Интервал вспучивания при этом составляет 50−80 °С, тогда как без добавок интервал отсутствует.

10. В работе обосновано в комплексе с обогащением сырья применение опудривающих добавок полиминерального состава (цементная пыль из электрофильтров Чернореченского цементного завода). Установлено, что сочетание легкоплавких и огнеупорных составляющих обеспечивает образование плотной газонепроницаемой корочки оптимальной шероховатости. Интервал вспучивания увеличивается до 100 °C, средняя плотность снижается на 15−18.

11. Разработана и представлена технологическая часть проекта отделений по подготовке, дозировке, введению и переработке шихты с композицией добавокподготовлена и утверждена Главновосибирскстроем «Временная инструкция по применению некоторых добавок-отходов в производстве керамзита в г. Новосибирске» .

12. Предложена конструкция огнестойкого контейнера для обжига керамзитовых гранул во вращающихся печах. Обжиг в контейнерах лабораторного керамзита предотвращает слипание гранул различных составов, позволяет проводить одновременный обжиг нескольких сортов или разновидностей наполнителей в одной печи, освобождает от трудоемкой работы по моделированию режимов производственной печи.

13. Производственные испытания, проведенные на керамзито-кирпичном заводе г. Новосибирска, подтвердили данные лабораторных исследований. Было проанализировано три вида шихты с различными добавками: мазут, отработанные нефтепродукты и синтезированная, состоящая из моторного топлива и пиритных огарков. С вновь предложенной органической добавкой — отработанными нефтепродуктами — получен заполнитель по насыпной плотности ниже заводского на 84 кг/м3. Дополнительный эффект вспучивания достигается при введении комплексной органожелезистой добавки, позволяющей снизить насыпную плотность в среднем на 100 кг/м3. Физико-механические и некоторые специальные исследования опытного керамзита подтвердили соответствие его свойств ГОСТу 9759−83. Внедрение предлагаемых добавок подготавливается на керамзитокирпичном заводе Главновосибирскстроя.

Экономический эффект от применения обогащенного суглинистого сырья для цеха производительностью 74 тыс. м3/год только по основным статьям затрат составляет 40−67 тыс. руб., или 0,77−1,08 руб. на I м3 керамзита. Применение опудривания, уменьшение массы конструкции, а значит, снижение затрат на перевозку и монтаж позволит получить дополнительный народнохозяйственный эффект.