Властивості керамзитового гравію

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ КЕРАМЗИТОВОГО ГРАВІЮ ТА СОБЛТВОСТІ ЙОГО ВИРОБНИЦТВА

гравій керамзитовий кислотність

Останнім часом керамзитовий гравій та матеріали на його основі притягують до себе все більший інтерес. Багато про нього чули, але не всі знають, що це за матеріал. А про те, що являє собою виробництво керамзиту, і чому цей матеріал починає активно заміщати традиційні матеріали у сфері будівництва, ремонту та ландшафтного дизайну, знають лише одиниці.

На відміну від інших матеріалів, яким, як правило, властиве тільки одне з перерахованих нижче властивостей, керамзитовий гравій поєднує в собі їх все: екологічність, легкість, невисока ціна.

Область застосування будь-якого матеріалу ґрунтується на його особливі властивості. Розглянемо, що являє собою керамзитовий гравій, в чому полягає виробництво керамзиту, і які його властивості забезпечують йому такий високий рейтинг серед інших будівельних матеріалів.

Виробництво керамзиту - це процес термічної обробки легкоплавких глинистих порід, які, до речі, у надлишку є на території Росії. Час температурного впливу мінімально - виробництво керамзиту займає 25-45 хвилин технологічної обробки високою температурою (1050 - 1300 o С). Таким чином, виробництво керамзиту не вимагає великих витрат часу і грошей.

Отримані зерна керамзиту можуть бути різноманітного діаметру. Зерна сортують на фракції: менше 5 мм (керамзитовий пісок); 5-10 мм, 10-20 мм; 20-40 мм (це і є керамзитовий гравій, хоча до нього часто відносять і більш дрібні фракції). Керамзитовий гравій може похвалитися такими особливостями, дуже корисними в будівництві: невелике водопоглинання (8-20 %); тривала морозостійкість (не менше 25 років); теплоізоляція.

Виробництво керамзиту та його використання у сферах будівництва, ремонту, благоустрою та навіть у садівництві, набирає обертів завдяки екологічній чистоті і особливим властивостям цього матеріалу.

Області застосування керамзиту: монолітне будівництво: все більшу популярність набуває бетон, в якості наповнювача в якому використаний керамзитовий гравій, а виробництво керамзиту може бути організовано безпосередньо на будівельному майданчику; теплоізоляція дахів: з керамзиту найчастіше створюється теплоізоляційна подушка для утеплення дахів4 теплоізоляція підлог і перекриттів: керамзитова ізоляція для захисту від шуму і заощадження тепла; ландшафтний дизайн: керамзитовий гравій чудово підходить для створення альпійських гірок і штучних террас; виробництво бетону: бетон на основі керамзитового наповнювача набагато легше бетону на звичайному гравії, що дозволяє скорочувати витрати при перевезенні та будівництві; теплоізоляція фундаменту: керамзитовий гравій використовується для створення теплоізоляційного шару і зменшення глибини закладки практично будь-якого типу фундаментів; теплоізоляція ґрунту: якщо необхідно зробити теплоізоляцію грунту для деяких видів рослин, то керамзитовий гравій найкраще підійде; дорожнє будівництво: керамзит використовується для теплоізоляції та відведення води при зведенні земляних насипів для доріг, при будівництві на вологих і заболочених ділянках землі; рослинництво: керамзитовий наповнювач створює чудовий дренаж для коріння рослин. А вирощування рослин на гідропоніці з допомогою керамзиту, дозволяє уникнути таких проблем, як бур'яни і хвороби рослин.

Налагоджене виробництво керамзиту вирішує проблеми й в комунальному господарстві. Завдяки своїм теплоізоляційним властивостям, керамзитовий гравій чудово підходить для організації утеплення водопровідних і теплових мереж. Водопровідні мережі, при замерзанні в них води в зимовий час, часто страждають від розриву труб. Аварії такого роду приносять масу клопоту і комунальникам, і мешканцям постраждалого будинку. Уникнути цієї напасті легко - потрібно всього лише влаштувати насипний гідроізоляційний шар з керамзитового щебеню.

Переваги керамзиту як, свого роду, «шуби» для водопровідних труб полягають у наступному: забезпечення полегшеного доступу до аварійних ділянок водопроводу; можливість повторного використання після локалізації вогнища аварії; створення і підтримання необхідного температурного режиму; забезпечення шумоізоляції.

В області благоустрою території керамзитовий гравій незамінний як подушка для укладання тротуару, яка, до того ж, чудово осушує грунт. У будівництві ж застосування керамзитового гравію набагато ширше: на основі керамзитового щебеню створюють легкі і міцні бетони, стінові панелі житлових та промислових будівель; керамзит використовують в локальних очисних спорудах в якості фільтруючого елемента.

При додаванні в грунт керамзитовий гравій призводить до збільшення врожайності плодово-ягідних культур. Відомі два способи такого не зовсім традиційного застосування керамзиту - обидва вони надійні, прості і не дороги: в лунку для посадки плодових дерев і кущів насипають шар керамзиту, потім шар грунту. Розмістивши в ямі коріння рослини і присипавши їх грунтом, зверху засипають ще один шар керамзиту (так званий пошарове метод); керамзит дрібної фракції додають у ґрунт, і заповнюють їй лунку, розмістивши коріння рослин так, щоб йому було комфортно рости.

При будь-якому способі застосування керамзиту, незмінно гарантований позитивний ефект - сприятливий вплив на ріст і розвиток рослин. Внесення керамзиту в грунт при посадці садових культур, покращує волого - і повітрообмін у грунті, допомагає рослинам легше переносити періоди посухи, і запобігає утворенню цвілі, моху на поверхні. Таким досить простим способом можна добитися значного збільшення врожайності плодово-ягідних культур.

Мета та завдання наукового дослідження: дослідити вплив залізовмісних добавок на формування структури і властивостей керамзитового гравію; дослідити фактори, які спричиняють напружений стан гранул керамзиту і можливість підвищення його міцності.

СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ І ВЛАСТИВОСТІ КЕРАМЗИТОВОГО ГРАВІЮ З ЗАЛІЗОВМІСНИМИ ДОДАТКАМИ

Досліджено вплив залізовмісних добавок на формування структури і властивостей керамзитового гравію. Встановлено позитивний вплив додатків на підвищення кислото- стійкості керамзиту.

Постановка проблеми. Керамічні хімічно стійкі матеріали широко використовують в різних галузях промисловості. При цьому є потреба в хімічно стійких матеріалах різного призначення, у тому числі пористих, серед яких важливе місце посідає керамзитовий гравій.

Ефективне вирішення проблеми розширення сировинної бази виробництва хімічно стійкого керамзитового гравію можливе за рахунок використання мас на основі глин і відходів промисловості, що уможливлює регулювати хіміко-мінералогічний склад, ступінь спікання, параметри структури та властивості кераміки.

У зв'язку з цим перспективним напрямком отримання керамзиту з підвищеною хімічною стійкістю є використання залізовмісних відходів в масах на основі місцевих полімінеральних глин.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Найдоцільніше під час виготовлення керамзи- тового гравію з підвищеними фізико-механічними і хімічними властивостями використовувати додатки з підвищеним вмістом оксидів заліза та алюмінію з метою направленого регулювання оксидного складу склофази, структури і фазового складу керамзитового гравію.

Своєю чергою, хімічна стійкість і, особливо кислотостійкість твердої фази керамзиту, залежить від кількісного співвідношення склоподібної і кристалічної фаз, а також від виду останньої. З метою прогнозованого вибору оптимальної кількості додатків і розроблення раціональних режимів термічної обробки керамзиту важливим є вивчення зміни структурної в'язкості мас під час нагрівання.

Разом з тим комплексне використання залізовмісних відходів і легкотопної глини сьогодні вивчено обмежено. Тому становить науковий і практичний інтерес вивчення особливостей отримання і формування структури керамзитового гравію із мас „глина-каолін-залізовмісні відходи” під час нагрівання.

Мета роботи - дослідження можливості отримання керамзитового гравію підвищеної хімічної стійкості за рахунок спрямованого регулювання складів мас та управління процесами структуро- і фазоутворення під час випалу гранул.

Методи досліджень та матеріали. Дослідження фізико-хімічних властивостей сировинних матеріалів та експлуатаційних властивостей керамзитового гравію проводилося згідно з чинним ДСТУ. Для вивчення фізико-хімічних процесів у глинистих масах під час їхньої термообробки та дослідження структури, фазового складу керамзитового гравію використано рентгенофазовий, диференційно-термічний, електронномікроскопічний методи аналізу. Як основну сировину використовували самбірську легкотопну глину, а як додатки - золу і шлак Бурштинської ТЕС та глуховецький каолін мокрого збагачення.

Результати досліджень. Для вивчення впливу каоліну, золи і шлаку ТЕС на властивості керамзитового гравію була приготовлена серія дослідних мас за однакового співвідношення глини і шлаку (табл. 1).

Таблиця 1

Шихтові склади дослідних мас

Для приготування дослідних мас шлак попередньо розмелювали до залишку 10 % на ситі №08. Маси ретельно перемішували з додаванням води до нормальної формувальної вологості.

Для з'ясування механізму дії додатків каоліну, шлаку і золи ТЕС на процес спучування глинистих мас і формування структури гранул керамзиту були зняті криві зміни структурної в'язкості під час нагрівання вихідної глинистої породи і глинистих мас з додатками. Встановлено, що крива структурної в'язкості самбірської середньоспучувальної глини (рис. 1, крива 1) знаходиться в області значень в'язкості 7·107 ...2·10 Па?с. Наявність на кривих структурної в'язкості аномальних ділянок, що характеризують підвищення в'язкості самбірської глини в інтервалі температур 970...1100 °С, обумовлено розкладом карбонатів і перетворенням продуктів дегідратації глин в нові кристалічні фази. За подальшого підвищення температури внаслідок збільшення кількості рідкої фази спостерігається різке падіння структурної в'язкості.

Додавання шлаку істотно змінює характер кривої в'язкості. Так, для глиношлакової маси №2 (рис. 1, крива 2) спостерігається зниження температури початку пластичних деформацій в середньому на 40-60 °С і зміщення аномальних ділянок на кривих в'язкості, характерних для глин, в область нижчих температур. Це можна пояснити активною флюсуючою дією оксидів заліза, особливо FeO шлаку, що сприяє руйнуванню структури глинистих мінералів. Криві в'язкості глиношлакових мас в температурному інтервалі 800-1000єС зміщуються в область більш низьких значень в'язкості порівняно з чистою глиною, що свідчить про більшу легкотопкість системи і наявність більшої кількості рідкої фази.

Утворення розплаву за порівняно низьких температур сприяє розширенню температурного інтервалу спучування за рахунок зниження нижньої границі початку спучування і кращої поризації матеріалу в піропластичному стані газоподібними продуктами. У той самий час, різке падіння структурної в'язкості в температурному інтервалі спучування приводить до формування нерівномірно пористої структури заповнювача.

Додаток золи до глиношлакової маси ще більшою мірою змінює характер ходу кривих структурної в'язкості. Так, для глиношлакової маси з вмістом 16 мас. % золи (рис. 1, крива 3) абсолютні значення структурної в'язкості в температурному інтервалі спучування вищі, ніж в чистих глинистих масах. Поява додаткового максимуму на кривих в'язкості глиношлакозольної маси в інтервалі температур 1020-1100 °С обумовлено, очевидно, утворенням нових кристалічних фаз і насиченням рідкої фази оптимальною кількістю алюмосиліційкисневих комплексів, утворених внаслідок топлення золи.

Можна припустити, що лужні катіони золи сприяють виникненню в розплаві, крім зв'язків Si-O-Si, також зв'язків Si-O-Al із збільшенням частки [AlO4], а катіони Fe2+, Fe3+, Ca2+ дроблять комплекси Si-O-Al, переводячи групи [AlO4] в [AlO6]. Присутність в розплаві силіційкисневих, алюмосиліційкисневих і алюмокисневих комплексів сприяє кристалізації муліту і, як наслідок, приводить до підвищення міцності та хімічної стійкості матеріалу, що узгоджується з дослідженнями, проведеними в [2].

Для можливості регулювання фазового складу матеріалу під час випалу було приготовлено серію мас з додатками каоліну. Аналіз кривих в'язкості дослідних мас показав, що введення до 10 мас.% каоліну (рис. 1, крива 4) підвищує температуру початку пластичних деформацій і структурну в'язкість матеріалу в температурному інтервалі спучування.

Враховуючи аналіз кривих в'язкості, можна зробити висновок, що збільшення вмісту каоліну в масах вище 10 мас.% утруднює спучування гранул внаслідок значного збільшення структурної в'язкості. Підвищення структурної в'язкості глиношлакозольної маси із додатком каоліну в інтервалі температур 1020-1100 °С, пов'язано з пришвидшенням кристалізації у силікатному розплаві шпінелі та муліту, що підтверджується даними РФА спучених мас.

Зіставляючи комплекс технологічних властивостей дослідних мас (табл. 2), структуру спучених гранул (рис. 2) з характером кривих зміни структурної в'язкості під час нагрівання, встановлено вагомий вплив на процес керамзитоутворення величини швидкості падіння в'язкості dlgз/dt в температурному інтервалі спучення. Так, із зменшенням величини dlgз/dt розширюється інтервал спучування мас, зменшується відкрита пористість, формується дрібнопориста структура гранул.

На відміну від мас, що містять додатки, різке падіння структурної в'язкості розплаву із самбірської глини призводить до злипання пор, утворення нерівномірно пористої структури гранул. Поряд з цим створюються умови для прориву стінок пор, що веде до збільшення кількості відкритих пор.

Таблиця 2

Значення середньої густини, відкритої пористості, температурного інтервалу спучування гранул керамзиту і з дослідних мас

Комплексне додавання до глин шлаку, золи і каоліну забезпечує найменші значення швидкості падіння структурної в'язкості з підвищенням температури, що сприяє повнішому утриманню і рівномірному розподіленню газоподібних продуктів в об'ємі матеріалу, і в такий спосіб створюються оптимальні умови для отримання дрібнопористої структури спучених гранул з максимальною кількістю закритих пор. Крім того, утворення дрібнопористої структури гранул значною мірою сприятиме підвищенню фізико-механічних властивостей і хімічної стійкості керамзитового гравію.

Висновки. Проведеними дослідженнями встановлена можливість отримання керамзитового гравію підвищеної хімічної стійкості за рахунок управління процесами структуро- і фазоутворення під час випалу гранул. Для одержання керамзитового гравію з середньою густиною не вище 0,5 г/см3 оптимальним є додаванням в глиношлакові маси близько 16 % золи і 10 % каоліну.

ПІДВИЩЕННЯ МІЦНОСТІ КЕРАМЗИТОВОГО ГРАВІЮ РЕГУЛЮВАННЯМ ЙОГО НАПРУЖЕНОГО СТАНУ

Досліджено фактори, які спричиняють напружений стан гранул керамзиту і можливість підвищення його міцності.

Постановка проблеми і її зв'язок з важливими науковими завданнями. Міцність керамзитового гравію є важливою характеристикою, яка визначає експлуатаційні властивості будівельних виробів на його основі. Перспективним напрямком збільшення міцності керамзиту є спосіб направленого регулювання напружень у поверхневих та внутрішніх шарах гранул під час випалу, що може бути досягнуто формуванням заданої структури поверхневих і внутрішніх шарів гранул.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Технологія виробництва керамзитового гравію базується на короткотривалому випалі глиняних мас, режим якого забезпечує інтенсивне породоутворення гранул. При охолодженні керамзитового гравію в гранулах виникають значні напруження, які ведуть до утворення радіальних і концентричних тріщин, що приводить до зниження міцності і підвищення водопоглинання керамзиту [1]. За даними [2, 3] різке охолодження за температури трансформації сприяє зниженню деформативності гранул керамзиту і зменшенню показника повзучості бетону на його основі.

Відомо, що міцність силікатних матеріалів можна значно підвищити направленим регулюванням їх напруженого стану [4]. Залежно від режиму охолодження в гранулах виникають залишкові напруження, величина і характер яких визначають деформативні і міцностні властивості заповнювача. Мета роботи. Вивчення факторів, які впливають на напружений стан гранул керамзиту, і розроблення способу підвищення міцності створенням у поверхневих шарах гранул залишкових стискальних напружень. Результати досліджень. Вивчені фактори, які зумовлюють напружений стан гранул керамзи- ту різної густини, дозволили розробити спосіб підвищення його міцності зміною структури поверхневих шарів під час термообробки.

Сьогодні керамзитові заводи випускають керамзитовий гравій, у поверхневих шарах гранул якого створюються розтяжні напруження, які понижують міцність гранул. Технологія виробництва в заводських умовах керамзитового гравію з підвищеною міцністю створенням у поверхневих шарах гранул стискальних залишкових напружень не розроблена. Розробка такої технології стримується тим, що не повністю досліджені фактори, які визначають напружений стан керамзито- вих гранул із мас різного складу.

Для визначення залишкових напружень в гранулах керамзиту були відібрані гранули з коефіцієнтом форми, який дорівнює 1,5. Середні значення величини відносної деформації гранул після нанесення на них трьох кільцевих надрізів і при віддалі між реперами 16 мм наведено на рисунку.

Об'ємна густина гранул, г/см3

Відносна деформація гранул керамзиту залежно від об'ємної густини

Із даних рисунка бачимо, що кільцеві надрізи порушують встановлену в гранулах рівновагу між залишковими напругами. Збільшення віддалі між реперами вказує на те, що зовнішні шари гранул із всіх мас знаходяться в напруженому розтягнутому стані, а ядро гранул - в стисненому стані. Значення відносної деформації взаємопов'язане із ступенем спучування гранул.

Так, у разі зменшення об'ємної густини гранул в середньому в 1,2-4 рази відносна деформація збільшується в 1,6-3,5 раза. Враховуючи, що руйнування кераміки майже завжди починається внаслідок виникнен- ня у поверхневих шарах матеріалу під дією зовнішніх навантажень розтяжних напружень, можна передбачити, що наявність у поверхневих шарах заповнювача залишкових розтяжних напружень приводить до зниження його міцності.

З метою вияснення причин виникнення напружень розтягу в поверхневих шарах гранул були проведені комплексні дослідження структури і фазового складу поверхневих й внутрішніх шарів спучених гранул. За допомогою хімічного аналізу визначали вміст скловидної фази, нерозчиненого кварцу і оксидів FeO і Fe2O3. Одержані результати вказують, що поверхневі шари гранул керамзиту містять в основному Fe2O3, а внутрішні - FeO. Закисна форма оксиду заліза є активним топником, що зумовлює повніше освоєння кварцу та інших кристалічних фаз глинистої сировини розтопом під час випалу.

Так, вміст нерозчиненого кварцу в поверхневих шарах в 1,5 раза менше ніж в поверхневих (див. таблицю). Пошарове дослідження структури гранул керамзиту показало значну неоднорідність їх будови. Гранули мають зовнішню щільну оболонку червоно-вишневого кольору завтовшки 0,4-1,5 мм. Ядро гранул, в основному, зображено темно-сірим сильно пористим склом. Неоднорідність струк- тури гранул по перерізу підтверджується результатами електронно-мікроскопічних досліджень і рентгенофазового аналізу. Ядра гранул подані склофазою із зародками мікроліквацій, а новоутво- рена кристалічна фаза представлена шпінеллю, анортитом і коротко стовпчатими кристалами муліту. Для поверхневих шарів гранул характерна присутність шпінелі і в меншій кількості муліту. Кристалічну фазу, в основному, подано гематитом, отопленим кварцом, кристаболітом.

Неоднорідність гранул керамзиту по перерізу зумовлює різне значення теплового коефіцієнта лінійного розширення (ТКЛР) поверхневих та внутрішніх шарів гранул керамзиту. Для експеримен- тального визначення ТКЛР були вирізані зразки з поверхневих і внутрішніх шарів гранул керамзиту із мас різного шихтового складу (див. таблицю) Із результатів досліджень видно, що поверхневі шари гранул керамзиту мають значно більше значення ТКЛР, ніж внутрішні.

При цьому макси- мальне значення різниці теплового розширення поверхневих і внутрішніх шарів спостерігається в гранулах, одержаних із більш запісоченої городоцької глини і становить 13 %. Добавка до глин г/см3 сапонітової породи знижує абсолютні величини ТКЛР шарів гранул, але різниця в значеннях коефіцієнтів теплового розширення між ними зберігається і становить 9-10 %.

Для підвищення міцності керамзитового гравію необхідно технологічно провести спрямоване регулювання будови гранул по перерізу так, щоб досягнути меншого значення ТКЛР поверхневих шарів, ніж ядра гранули. Досягнення цієї умови забезпечить при охолодженні значніше зменшення об'єму ядра гранули, ніж поверхневих шарів, і знаходження їх в стані рівномірного стиску.

Склади мас і властивості поверхневих і внутрішніх шарів гранул керамзиту

*Поверхневі шари (чисельник).

**Внутрішні шари (знаменник).

З метою регулювання структури, хімічного і фазового складів поверхневих шарів гранул їх модифікували сполуками LiOH, магнезиту, доломіту [5]. Гранули обробляли як глинистою суспензією з вмістом сполук літію і магнію, так і обпудрюванням їх доломітом під час спучування. Обробка гранул глинистою суспензією з вмістом магнезиту - 4 %, доломіту - 7 % і LiOH - 0,6 % підвищує міцність керамзиту в 1,3-2 рази.

Обробка гранул з глинистих порід з підвищеним вмістом SiO2віл (городоцька глина) забезпечує підвищення міцності більшою мірою, ніж обробка гранул із менш запісочених мас. Дослідження оброблених поверхневих шарів гранул підтверджує утворення і зростання вмісту в них шпінелі, муліту, сподумену, при цьому більш інтенсивно розчиняється в розтопі кварц, на що вказує зменшення інтенсивності його ліній на дифрактограмах. ТКЛР поверхневих шарів гранул після обробки є на 2-7 % меншим ТКЛР ядра гранули, що забезпечує знаходження поверхневих шарів у стані стиску.

Висновок. За результатами проведених досліджень встановлено, що напружений стан гранул керамзитового гравію зумовлений неоднорідністю структури і фазового складу поверхневих і внутрішніх шарів. На величини залишкових напружень впливає густина гранул. Модифікування поверхні гранул обробленням сполуками літію і магнію дає змогу спрямовано регулювати напру- ження в поверхневих шарах і є ефективним підвищенням міцності керамзиту.

Размещено на Allbest.ru