CC BY
29
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 666.3:553.661
ИССЛЕДОВАНИЕ НИЗКОКАЧЕСТВЕННЫХ БЕНТОНИТОВЫХ ГЛИН АЗЕРБАЙДЖАНА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КЕРАМЗИТА
Н.Г. Валиев, З.Дж. Эфендиева, Т.Р. Османлы
Наличие в Азербайджанский Республике больших залежей бентонитовых, бентонитоподобных и легкоплавких глинистых пород дает возможность широкому развитию производства искусственных пористых заполнителей. Целью данной работы было исследование возможности получения керамзита из бентонитых глин месторождений Азербайджана. Исследованные бентонитовые глины Дашсалахлинского месторождения Азербайджанский Республики в природном состоянии (без добавок) характеризуются низким коэффициентом вспучивания (менее 1,4). Значительное повышение вспучиваемости указанных бентонитовых глин было достигнуто за счет ввода в шихту вспучивающих добавок в виде отработанного гумбрина, сульфидно-спиртовой барды, древесных опилок и т.д. В результате проведенных исследований установлена возможность получения легких заполнителей типа керамзит из бентонитовых глин Дашсалахлинского месторождения.
Ключевые слова: Дашсалахлинское месторождение, низкокачест- венных бентонитовых глин, коэффициент вспучивания, сульфидно-спиртовой барды, легкие заполнители, термообработка, керамзит.
Введение
В настоящем время важное значение приобретают вопросы дальнейшего повышения экономичности конструкций за счет широкого внедрения легких бетонов в практику индустриального строительства.
Применение легких бетонов, в особенности для возведения ограждающих конструкций, приводит к уменьшению их толщины, значительному снижению веса, повышению сейсмостойкости и улучшению теплотехнических показателей строящихся зданий.
Это особенно актуально для нашей республики, обладающей неисчерпаемыми запасами легких естественных заполнителей и в то же время
располагающей большими возможностями для производства искусственных пористых заполнителей.
В Азербайджане отсутствуют доступные месторождения естественных пористых заполнителей, но повсеместное распространение имеют залежи бентонитовых глин. В связи с этим настоящая работа по получению керамзита из бентонитовых глин Азербайджана является необходимой и актуальной.
Наряду с этим наличие в Азербайджане больших залежей бентонитов, бентонит подобных легкоплавких глинистых пород дает возможность широкому развитию производства искусственных пористых заполнителей.
Перспективным материалом является керамзит, изготовляемый ускоренным обжигом из легкоплавких, хорошо вспучивающихся глинистых пород.
Керамзиту присущи преимущества перед другими видами заполнителей: обладает закрытой, хорошо развитой системой пор; при малом объемном весе он имеет достаточную механическую прочность, свободен от вредных для цемента примесей, отличается высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами и высокой атмосферной устойчивостью [1 - 7].
Значительным тормозом развития производства керамзита в Азербайджане является отсутствие широких исследований по выявлению пригодного сырья для получения керамзита.
В связи с этим представляется целесообразным изучить бентонитовые глины Дашсалахлинского месторождения с точки зрения пригодности их для производства керамзита.
За последние годы вопросу получения керамзита из легкоплавких глинистых пород уделено большое внимание. В различных литературных источниках приводятся исследования многочисленных авторов по вспучиванию глин различных месторождений; рассматриваются технологические приемы их переработки; приводятся данные по опробованию некоторых способов повышения вспучиваемости плохо вспучивающегося сырья и т.д. [8 - 10].
Исследованиями установлено, что на процессы вспучивания глинистой породы существенное влияние оказывает ряд взаимосвязанных факторов.
Выявлено, что важнейшими компонентами вещественного состава глин, определяющими их способность к вспучиванию, являются окислы железа, органические вещества и слюды.
Органические вещества и окислы железа взаимодействуют между собой с восстановлением последних в закись железа. Последняя, в свою очередь, реагирует со слюдами и гидрослюдами, вызывает образование вспучивающих газов. Остальные компоненты либо вовсе не принимают участия во вспучивании (крупный кварц и др.), либо действуют как плавни (окись кальция, магния, натрия и калия).
Анализом проведенных исследований установлено, что химический состав глинистого сырья не может служить основанием для определения его вспучиваемости. Но в известной степени им можно пользоваться для ориентировочного суждения о его пригодности (табл. 1).
Так, содержание ЛЬ03 более 22 % характеризует сырье как тугоплавкое, если оно при этом содержит мало плавней. Содержание Fe2Oз в количестве менее 3 % не достаточно для выделения вспучивающих газов. Содержание CaO свыше 6...8 % придает вспучиваемой массе короткоплав-кость, облегчает выход вспучивающих газов наружу и увеличивает объемный вес.
Недостаточное содержание органических веществ в сырье не обеспечивает полного восстановления окислов железа в закись, ввиду чего сырьё характеризуется малой вспучиваемостью.
Таблица 1
Химический состав глин, пригодных для производства керамзита
Хим. компоненты SiO2 Fe2Oз ТЮ2 ЛЩэ СаО МяО SOз К2О N20 Орг. вещество П.п.м
Хим. состав глин, пригодных для производства керамзита 57,4266,31 5,8911,44 0,661,0 14,8917,31 0,891,97 2,122,89 0,030,2 3,45,2 0,30,81 4,996,64
Хим.состав наилучших глин 57,44 11,42 0,84 14,96 1,29 2,95 0,15 4,87 0,34 6,06
Чрезмерное содержание органических веществ в сырье создает высокую концентрацию окиси углерода в окружающих газах, вследствие чего окись железа восстанавливается в металлическое железо, которое как плавень действует недостаточно и не вызывает выделения вспучивающих газов.
Химический анализ позволяет наметить и опробовать некоторые способы повышения вспучиваемости плохо вспучивающегося сырья путем введения добавок.
Статическая обработка химических составов глин показывает, что среди хорошо вспучивающихся разновидностей чаще всего встречаются следующие соотношения между главными окислами (табл. 2). Такие глины характеризуются следующим химическим составом: Al2Oз - от 10 до 24 %; Fe2Oз - от 3 до 10 %; CaO+ MgO - не более 6....8 %.
Исследованиями ряда авторов установлено большое влияние свободного кварца на вспучиваемость глинистого сырья, содержащегося в глине в виде кварцевого песка.
Таблица 2
Соотношения между главными оксидами_
Соотношение оксидов и групп компонентов Показатели пригодности сырья
ЛЬОз / 8Ю2 Пригодные Малопригодные
От 1 : 2 до 1 : 8 1:1 1:9
СаО+М^О ЛЬОз+ЗЮ2 От 0,04 до 0,13 0,14 и более
К2О+№О ЛЬОз+ БЮ2 От 0,02 до 0,06 0,01 и менее
Бе2Оз / ЛЬОз+ БЮ2 от 0,04 до 0,12 Менее 0,04 Более 0,13
CaO+MgO От з до 8,0 % Более 8 %
Бе2Оз От 5 до 14,0 % Менее 5 %
Так, по данным И.А. Гервидса, Я.Н. Черняка, П.И. и В.Ф. Павлова, вспучиваемость глин резко падает при содержании кварцевых частиц с размером зерен более 0,1 мм в количестве, превышающем 10 % [11 - 12].
Несмотря на большой объем работы по вспучиванию глинистого сырья, в литературе весьма скромно приводятся исследования по вспучиванию бентонитовых глин. В этой части заслуживает большого внимания работа, проведенная в Ташкентском политехническом институте инженером И.Р. Расуловым. Работа посвящена исследованию глинистых пород основных месторождений Узбекистана и Южного Казахстана. Исследования проводились на бентонитовых глинах пяти месторождений: Дарбазин-ского, Калесского, (Каз.ССР), Азкамарского, Каттакустанского и Чимион-ского (Узб.ССР) [14 - 15].
Исследуемые глины относятся к тонкодисперсным, высокопластичным глинам с высокой формованной влажностью (32...40 %) и коэффициентом извествительности к сушке.
Исследование глин на вспучиваемость как в естественном составе, так и с добавкой различных органических веществ проводилось в окислительной и восстановительной средах. Экспериментально установлено, что бентонитовые глины в естественном составе при оптимальных температурах вспучивания имеют коэффициент вспучивания в пределах 1,4...2,1, а при вводе 0,5...1 % (по весу) солярового масла или мазута коэффициент вспучивания повышается до 3,5...6,7, объемный вес керамзита снижается до 0,21...0,35 г/см3.
Опытно-промышленное изготовление керамзита показало, что высокое качество керамзитового гравия из трудноперерабатываемых бентонитовых глин зависит в основном от хорошей гомогенизации глинистой массы перед формовкой сырцовых гранул.
Исследованиями, проведенными над бентонитовыми глинами Казахского месторождения, установлено, что испытуемая глина в ес-
тественном состоянии не вспучивается, однако введение в глинистое сырье корректирующих добавок несколько улучшает вспучивание.
Результаты исследований объединенной пробы с добавкой отработанного гумбрина сведены в табл. 3.
Исходя из проведенных данных, глина Дашсалахлинского месторождения пригодна для производства керамзита при введении 3...5 % отработанного гумбрина; лучшие результаты получены при введении 5 % гумбрина:
1) температура вспучивания 1100 °С;
2) время выдержки 10 мин;
3) коэффициент вспучивания 4,08;
4) об. вес в куске 0,375 г/см3;
5) водопоглощение (%) 4,47 %.
Таблица 3
Результаты исследований объединенной пробы с добавкой отработанного гумбрина
Наименование месторождений Корректирующая добавка Режим обжига Объемный вес, г/см3 Водопоглощение, % Коэф. вспучивания
Наимен. Кол -во, % Температурке Время выдерж.
Дашса-лахлы Гумбрин 3 1010 5...15 0,688... 0,760 6,12... 8,05 1,94... 2,2
5 0,738... 0,9 8,23... 10,75 1,78... 2,1
3 1040 5...15 0,684... 0,81 5,73... 6,38 1,832,15
5 0,4820,582 6,488,16 2,62.. 3,2
Дашса-лахлы Гумбрин 3 1070 5...15 0,418... 0,55 4,94... 6,7 2,72... 3,4
5 0,444... 0,516 6,56... 10,95 2,98... 3,5
4 } 3 1100 5...15 0,54... 0,667 5,38... 9,55 2,34... 2,77
5 0,375... 0,517 4,47... 9,1 3,05... 4,08
Дашса-лахлы Гумбрин 3 1130 5...15 0,427... 0,449 4,74... 8,73 3,08... 3,52
Исследованиями сырья Каймахлинского месторождения установлено, что испытуемая глина в естественном состоянии не вспучивается, однако введение в глинистое сырье корректирующих добавок несколько улучшает вспучивание глин, но полученные результаты не удовлетворяют требованиям ГОСТ 975 9-61 "Гравий керамзитовый" (коэф. вспучивания 2,3.. .2,8, интервал вспучивания - 50 °С).
Учитывая перспективность развития керамзитовой промышленности, весьма актуальным являются поиски новых источников сырья с выявлением особенностей его свойств, а также методов улучшения качества керамзита. С этой целью нами были исследованы бентонитовые глины Казахского месторождения.
Характеристика сырьевых материалов
Дашсалахлинское месторождение бентонитовых глин расположено в 2 - 3 км к северо-западу от районного центра г. Казах. Месторождение связано с селом Дашсалахлы грунтовой дорогой, далее до города Казаха проложено асфальтированное шоссе Баку - Казах - Тбилиси [16 - 18].
Район Дашсалахлинского месторождения характеризуется ландшафтом подгорных гряд, вытянутых в северо-западном и юго-восточном направлениях и ограниченных с востока Куринской долиной. Расположенность рельефа сравнительно невелика.
Бентонитовые глины залегают в пачке пирокластических пород непосредственно под слоем суглинков (мощностью до 1 - 2 м).
Глина светло-зеленовато-желтая, жирная на ощупь. Мощность 70 -80 м. Под микроскопом Дашсалахлинские бентониты представлены, в основном тонкозернистым глинистым веществом. Структура волокнис- тая, перлитовая, спутанноволокнистая, текстуро-хлопьевидная.
Термографические исследования показали в основном наличие трех эндотермических эффектов, что характерно для глин монтмориллони- то-вого состава [19 - 20].
Первый эндотермический эффект очень интенсивный и протекал при температуре 60... 120 0С с выделением воды от 12 до 15,2 %.
Второй эндотермический эффект очень слабый и фиксируется при температурах 730...780 °С с выделением незначительного количества (от 4 до 5,80 %) кристаллизационной воды.
Третий эндотермический эффект фиксируется при температуре 870...900 °С, что связано с разрушением кристаллической решетки.
Рентгегнографический анализ бентонитовых глин показал наличие в основном монтмориллонита и Si02.
Монтмориллонит определяется эффектами с межплоскостным расстоянием: 12,6А°; 6,23А°; 3,08А°.
Si02: 4,04А°; 4,29А°; 2,52А°.
По дисперсному анализу эти глины характеризуются преобладанием тонкодисперсной палитовой фракцией размером менее 0,01 м. (табл. 4). Валовый химический состав исследуемой технологической пробы колеблется в следующих пределах табл. 5.
Огнеупорность 1160...1220 °С.
Интервал спекания 110...170 °С.
Таблица 4
Тонкодисперсная палитовая фракция
Содержание фракций по размерам, %
0,25 0,250,05 0,050,01 0,010,005 0,0050,001 менее 0,001 менее 0,01 0,25 0,250,05 0,050,01 0,010,005
2,535,98 4,817,8 4,6411,12 13,6819,52 43,1258,72 1,046,87 73,3581,76 2,535,98 4,817,8 4,6411,12 13,6819,52
Таблица 5
Валовой химический состав исследуемой технологической пробы
БЮ2 ТЮ2 Ге20э ЛЬ0э СаО М§0 БОэ К2О №20 Ппм Н2О
56,9658,82 0,440,82 2,673,6 13,3516,14 3,755,35 1,843,79 0,541,61 0,221,3 2,23,08 7,528,56 2,775,87
Соотношение между главными оксидами лежит в следующих пределах:
А12О2 = 1>4.
Б1О2 ' '
Са •МёО = 0,09 + 0,1;
А12О2 • &'О2
т—Т /Л
—-0,037 - 0,038;
А12О2 • БЮ2
Са • М^О = 5,59 - 9,14;
-2О3 = 2,67 - 3,6.
Анализируя полученные данные, можно предположить, что бентонитовая глина Дашсалахлинского месторождения относится к категории слабовспучивающегося сырья.
Методика проведения исследований Исследование бентонитовых глин на вспучиваемость. В проводимых исследованиях сырье дробилось до кусков крупностью 10 - 20 мм, высушивается, измельчается и просеивается через сито с размером отверстий в 1 мм, готовится тесто нормальной формовочной влажности, из которого в металлической форме изготавливаются цилиндрические гранулы диаметром и высотой 16 мм. Гранулы высушиваются до постоянного веса
при температуре 105...110 °С, замеряют их объем и подвергают двухста-дийному обжигу.
Установление температуры предварительной термообработки керамзитовых гранул производится следующим образом: один высушенный образец помещают в электрическую муфельную печь, разогретую до температуры 200 °С, и выдерживают при этой температуре в течение 20 мин. Затем образец быстро переносится в электрическую печь, разогретую до температуры 1140 °С, и выдерживается при этой температуре в течение 10 мин. Если при этом гранула не разрушается (растрескивается), то температура термоподготовки принимается равной 200 °С. В случае разрушения гранул опыт повторяют при температурах термоподготовки 300, 400, 500 °С.
За температуру термоподготовки принимают минимальную температуру, кратную 100 °С, при которой гранула, перенесенная в печь с температурой 1140 °С, не разрушается (растрескивается).
Многие глинистые породы перед обжигом не требуют предварительной термообработки, другие без подсушки разрушаются и недостаточно вспучиваются.
Испытаниями следует подтвердить возможность обжига сырого или высушенного (до остаточной влажности 5...10 %) гранулированного сырца.
После установления температуры предварительной термоподготовки образцов (в случае необходимости) проводят испытания на вспу-чиваемость. Вспучивание проводят обжигом гранул в электрической печи при температурах от 1020 до 1230 °С с интервалом в 30 °С. При каждой температуре обжигают три образца-близнеца.
Образцы по окончании термоподготовки или нетермообработанные переносят в печь, предварительно разогретую до заданной температуры. Обжиг образцов при температуре до 1140 °С проводят с выдержкой в течение 10 мин; при температуре 1170 °С и выше - в течение 5 и 10 мин. По окончании обжига гранулы вынимают из печи, охлаждают до комнатной температуры, визуально определяют степень оплавления поверхности вспученных гранул, определяют их объем и взвешивают. На образцах определяют:
а) объемный вес в куске вспученных гранул;
б) оптимальную температуру вспучивания, при которой гранулы имеют наименьший объемный вес, а их поверхность не оплавляется;
в) интервал вспучивания - разницу между температурой, при которой объемный вес в куске вспученных гранул достигает 950 кг/м3, и температурой начала остеклования поверхности вспученных гранул;
г) коэффициент вспучивания - отношение объема гранулы керамзита к объему исходной глиняной гранулы, высушенной до постоянного веса.
При недостаточной вспучиваемости природного рыхлого глинистого сырья его испытания нужно проводить с добавками (железистыми, органическими или их смесью). Рыхлое сырье подвергается последовательно измельчению, увлажнению (с вводом корректирующих добавок) и формованию.
Целью измельчения является разрушение геологической структуры для того, чтобы различные компоненты, входящие в состав глины, более равномерно перемешались между собой. Этим также достигается образование большого количества контактов между взаимодействующими минеральными компонентами. Хорошее измельчение и перемешивание сырья повышают его вспучиваемость.
Применяемые добавки вводятся в шихту в тонкодисперсном состоянии, тщательно перемешиваются с исходным сырьем для равномерного их распределения.
Вводимые добавки способствуют повышению вспучиваемости до определенного для данного состава предела. Предпочтение при этом отдается жидким добавкам как наиболее технологичным в производстве.
Результаты и обсуждение При испытаниях сырья с добавками в них вводят перечисленные вещества, формуют образцы и обжигают указанными выше способами при температурах, в пределах которых было замечено наибольшее вспучивание чистого сырья (или же полностью по вышеописанной методике). Вид и количество добавок устанавливаются опытным путем,
Лабораторные испытания сырья преследуют цель получения следующих результатов:
а) практическую вспучиваемость чистого сырья и с добавками;
б) дозировку добавок;
в) температуру обжига для вспучивания;
г) объемный вес керамзита в куске (при умножении на 0,62 -насыпной объемный вес);
д) примерный заводской режим производства (рекомендации по выбору способа приготовления сырца).
По результатам лабораторных испытаний сырья без добавок и с добавками следует определять целесообразность проведения полузаводских испытаний. Критериями при этом служат:
а) объемный вес керамзита - не более 950 кг/м3;
б) интервал вспучивания - не менее 50 °С;
в) температура вспучивания - не более 1250 °С.
Вспучиваемость глиняного сырья. Пригодность сырья для производства керамзита, как правило, зависит от минералогического, химического состава сырья и его способности вспучиваться при обжиге. Последнее свойство является определяющим при решении данного вопроса.
Процесс вспучивания глинистых пород при производстве керамзита является наиболее важным. От правильного ведения обжига во многом зависят качество получаемого заполнителя, его объемный вес, механическая прочность и ряд других свойств.
При нагреве в глинистых породах происходят следующие процессы:
а) удаление свободной влаги, заканчивающееся при температуре материала 100...150 °С;
б) выделение различных газов и паров, происходящее при окислительно-восстановительных процессах и химических реакциях разложения (большинство этих реакций начинаются при температурах от 400...500 °С и продолжаются до температуры вспучивания 1100...1200 °С);
в) размягчение и интенсивное появление жидкой фазы в материале при температурах 1000...1200 °С.
В момент появления в материале жидкой фазы выделяемые в результате реакций газы и пары вспучиваются, образуя множество мелких, преимущественно закрытых пор, заполненных продуктами газообразования. При последующем охлаждении материал застывает и превращается в керамзит.
В процессе образования пористой структуры керамзита большую роль играет скорость нагрева сырца:
а) при медленном нагревании большое количество газов и паров выйдет из материала до того момента, когда он перейдет в пиропластиче-ское состояние. В этом случае вспучивание не произойдет или оно будет недостаточным;
б) при быстром нагреве материала в процессе вспучивания участвует большое количество газов и паров, что обуславливает наиболее полное вспучивание.
В связи с вышеизложенным в проводимых нами исследованиях рассматриваются технологические факторы, влияющие на свойства вспучивания глинистых пород при обжиге, а также исследуются технологические параметры процесса получения керамзита из бентонитовых глин.
На действующих предприятиях страны наибольшее распространение получил пластический способ производства керамзита. Достоинство и перспективность этого способа состоят в том, что он позволяет использовать слабовспучивающиеся и даже "короткоплавкие" глины, применяя различные добавки и метод опудривания сырцовых гранул перед обжигом.
Учитывая структурные свойства бентонитовых глин и имеющегося опыта получения из них керамзитового песка (по сухому способу производства) и керамзитового гравия (по технологии пластического способа), изучение технологических процессов нами велось в двух направлениях.
Однако проведенные нами исследования по получению керамзита из бентонитовых глин Дашсалахлинского месторождения по сухому способу производства не дали положительного эффекта.
Исследуемая технологическая проба бентонитовой глины высушивалась, измельчалась до фракции 2,5 - 10 мм и подвергалась термической обработке в электрической печи.
Как показали проведенные исследования, бентонитовая глина Даш-салахлинского месторождения с ненарушенной структурой при быстром введении ее в разогретую печь обладает способностью "взрываться", разрушаясь на тонкие пластинки. Для устранения этого явления нами была применена двухступенчатая схема обжига согласно существующей рекомендации.
В результате проведенных исследований нами был установлен оптимальный режим термоподготовки при температуре 400...500 °С в течение 15...20 минут. Однако последующий обжиг при температурах 1020. 1200 °С с выдержкой 5 - 15 минут не дал ожидаемого эффекта -бентонитовая глина Дашсалахлинского месторождения Азербайджана с ненарушенной структурой при термоподготовке и обжиге в условиях окислительной и восстановительной среды не дала вспучивания.
Все дальнейшие исследования нами были проведены по технологии пластического способа производства керамзита.
С целью выявления влияния различных технологических параметров, оказывающих активное воздействие на процесс формирования пористой структуры керамзита, нами изучались следующие факторы:
а) температура термоподготовки и обжига;
б) продолжительность нагревания (выдержка);
в) ввод различных добавок (гумбрин), влияющих на газовыделение и размягчение массы, их количество;
г) влажность сырцовых гранул;
д) размер гранул.
Для изучения процессов образования пористой структуры (вспучивания) исследуемая технологическая проба бентонитовой глины высушивалась, измельчалась и просеивалась через сито с размером отверстий 0,3 мм. Из теста нормальной формовочной влажности 40...45 % в металлической форме изготавливались цилиндры диаметром 16 мм и высотой 16 мм. Гранулы высушивались до постоянного веса, вначале естественной сушкой, а затем в сушильном шкафу при температуре 105...110 °С, замеряли их объем и подвергали двухстадийному обжигу.
При подборе температуры термоподготовки выяснилось, что предварительно высушенные до постоянного веса образцы растрескиваются при последующем нагреве их до температуры 100 °С и выше.
Опытами установлено, что сырцовые гранулы с формовочной влажностью или подсушенные до влажности 15...20 % не растрескиваются при дальнейшем их нагревании и последующем обжиге.
Проведенными исследованиями исходного сырья на вспучивае-мость установлено, что бентонитовые глины Дашсалахлинского месторождения в естественном составе в условиях окислительной и восстановительной среды в лабораторной электрической и газовой печах при различных температурных режимах обжига (предварительно термообрабо-танные и нетермообработанные) не дали значительного вспучивания (коэффициент вспучивания 1,35 - 1,5 с объемным весом обожженных гранул 1,0... 1,1 г/см3 при температуре вспучивания 1160 °С. Дальнейшее повышение температуры до 1180...1200 °С привело к оплавлению гранул).
Ограничения ГОСТа 9759-65 на керамзитовый гравий по объемному весу вспученных гранул дает нам право отнести бентонитовые глины Дашсалахлинского месторождения к категории невспучивающегося сырья.
Все дальнейшие исследования проводились нами с целью опробы-вания некоторых способов повышения вспучиваемости слабовспучиваю-щегося или невспучивающегося сырья путем введения жидких и твердых добавок - сульфитно-спиртовой барды (ССБ) и отходов нефтепереработки - отработанного гумбрина в количестве от 1 до 5 %.
Ввод сульфитно-спиртовой барды (ССВ) осуществлялся вместе с водой затворения. Заданное количество отработанного гумбрина вводилось по весу непосредственно в шихту.
При исследовании исходного сырья с добавками в предварительно измельченную шихту вводились вышеперечисленные вещества, формовались образцы диаметром 16 мм и высотой 16 мм и обжигались по описанной выше методике при температурах, в пределах которых было замечено наибольшее вспучивание чистого сырья (1160 °С).
В процессе исследования определялись коэффициенты вспучивания, объемный вес вспученных образцов, а также температурный интервал вспучивания.
Обжиг испытуемых образцов с добавкой сульфитно-спиртовой барды и отработанного гумбрина производился в условиях окислительной среды в лабораторной электрической печи.
Для большей убедительности исследуемые образцы подвергались вспучиванию при температурах 1130 и 1190 °С, т.е. на 30 °С выше и ниже оптимально установленной температуры ранее проведенными исследованиями.
При добавке сульфитно-спиртовой барды в пределах от 1 до 4 % (по сухому веществу) объемный вес получаемого керамзита снижается (от 1,0 до 0,51 г/см3), а коэффициент вспучивания возрастает от 1,7 до 3,18.
В зависимости от количества вводимого отработанного гумбрина (3 и 5 %) коэффициент вспучивания колеблется в пределах 3,27...4,0, а объемный вес соответственно - 0,41...0,48 г/см3
Анализ полученных результатов показал, что эффект вспучивания от ввода в шихту отработанного гумбрина по сравнению с сульфидно-спиртовой бардой оказался незначительным (3,27 против 3,18 при одном и том же % вводимых добавок).
Учитывая вышеизложенное, предпочтение нами было отдано жидкой добавке - сульфитно-спиртовой барде как наиболее технологичной в производстве.
Проведенными исследованиями установлено, что изменение продолжительности обжига при определенной влажности сырцовых гранул позволяет регулировать свойства и однородность структуры керамзита при заданной оптимальной температуре вспучивания (1160 °С).
При этом остаточная влажность сырцовых гранул перед обжигом на вспучивание должна быть не менее 15... 20 %. Снижение влажности глинистой массы приводит к повышению плотности сформованных гранул.
Опытами установлено, что повышение плотности сформованных гранул из бентонитовых глин приводит к улучшению условий протекания окислительно-восстановительной реакции внутри гранул в процессе обжига. Проведенные исследования подтвердили, что существенную роль в процессе формирования пористой структуры керамзита из бентонитовых глин играет не внешняя восстановительная газовая среда печи за счет неполного сгорания топлива, а среда, создаваемая внутри обжигаемого материала за счет органических примесей глины вводимых органических веществ.
Таким образом, исследованиями, проведенными под бентонитовыми глинами Дашсалахлинского месторождения, установлено, что испытуемая глина в естественном состоянии не вспучивается, однако введение в глинистое сырье вспучивающей добавки - сульфитно-спиртовой барды в количестве 3 % - дало положительный эффект при температуре вспучивания 1160 °С и времени выдержки 10 минут, получен керамзит с объемным весом в куске 0,40.0,51 г/см3, с коэффициентом вспучивания 3,18 - 3,9, водопоглощением 8.10 % и интервалом вспучивания 80.100 °С.
Выводы
1. Исследование в лабораторных условиях низкокачественных бентонитовых глин месторождения Азербайджана в природном состоянии (без добавок) характеризуется низким коэффициентом вспучивания.
2. Повышение вспучиваемости указанных бентонитовых глин может быть достигнуто за счет ввода в шихту вспучивающих добавок в виде сульфитно-спиртовой барды и отработанного гумбрина. В этом случае коэффициент вспучивания глин повышается до 4,0.
3. Анализ результатов исследования показал, что эффект вспучивания при вводе в шихту отработанного гумбрина по сравнению с сульфитно-спиртовой бардой оказался незначительным (3,9 против 4,0) Учитывая изложенное, предпочтение нами было отдано жидкой добавке - сульфидно-спиртовой барде как наиболее технологичной в производстве.
4. Вход в шихту сульфитно-спиртовой барды в количестве от 1 до 3 % приводит к повышению коэффициента вспучивания от 1,7 до 3,9 и снижению объемного веса в куске от 1,0 до 0,4 г/см3, а дальнейшее повышение количества вводимой добавки ухудшает полученные результаты.
Список литературы
1. Чентемиров М.Г., Горных В.П. Производство и применение керамзита. М.: Госстройиздат, 1963. 104 с.
2. Инструкция по обжигу керамзита во вращающихся печах. Госкомитет по промстройматериалам при Госстрое СССР. Керамзит. 1965.
3. Элинзон М. П., Виноградов Б.Н. К вопросу о выборе сырья для производства керамзитового гравия и аглопорита. Керамзит и аглопорит как строительный материал. М.: Недра, 1966. 152 с.
4. Горин В. М., Токарева С. А., Кабанова М. К. Высокопрочный керамзит и керамдор для несущих конструкций и дорожного строительства // Строительные материалы. 2010. №1. С. 9-11.
5. Горин В.М., Токарева С.А., Кабанова М.К. Керамзит. Опыт и перспективы развития производства и применения // Строительные материалы. 2004. №11. С. 32-34.
6. Онацкий С.П. Выбор и оценка глинистого сырья для производства крамзита. М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1957. 20 с.
7. Онацкий С.П. Производство керамзита. М.: Стройиздат, 1987.
333 с
8. Местников А.Е. Глинистое сырье Якутии для производства керамзита // Современные наукоемкие технологии. 2022. № 3. С. 30-34
9. Сурков М.Д., Ракова О.В., Антошкина Е.Г. Исследование сорбционных свойств бентонитовой глины Зырянского месторождения // Экобиологические проблемы Азово-Черноморского региона и комплексное управление биологическими ресурсами. Челябинск: Изд-во Юж.-Ур. ГУ. 2016. С. 279-280.
10. Колесников Е.А. Вспучивание легкоплавких глин // Стекло и керамика. 1974. № 5. С. 28-30.
11. Гервидс И.А. Керамзит. М.: Госстройиздат, 1957. 76 с.
12. Черняк Я.Н. Очерки по истории кирпичного производства в России XIX нач. XX вв. / под общ. ред. П.М. Лукьянова. М.: Стройиздат, 1957. 79 с.
13. Павлов В.Ф. Физико-химические основы обжига изделий строительной керамики. М.: Сройиздат, 1977. 239 с.
14. Расулов И.А. Исследование технологических особенностей керамзита из глинистых пород Узбекистана и Южного Казахстана. Ташкент, 1968.
15. Разработка составов масс для керамических плиток с использованием Логонской бентонитовой глины в качестве пластифицирующего компонента / Т.Т. Сабиров, С.С. Таиров, З.Р. Кадырова, А.М. Эминов // Узбекский химический журнал. 2019. № 3. С.42-49.
16. Ализаде Х.А., Зохрабова В.Р. Бентонитовые глины // Геология Азербайджана. Т. VI. Полезные ископаемые. Баку: Nafta-Press, 2003. С. 426-436.
17. Дунямалиев Ф.А., Мухтаров Г.Г., Ширинов Ю.Р.Основное производство бентонита в Азербайджане. Баку: Адылоглу, 2004. 377.c
18. Эфендиева З.Дж. Бентониты Азербайджана // Горный журнал. 2007. № 4. С.15-17
19. Эфендиева З. Дж. Возможные области использования бентонитовых глин месторождений Азербайджана // Горный журнал.
2007. №10. С. 90-92.
20. Наседкин В.В., Шириизаде Н.А. Даш-Салахлинское месторождение бентонита. Становление и перспективы развития. М.: Геос,
2008. 85 с.
Валиев Нияз Гадым оглы, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, scince@ursmu.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский государственный горный университет,
Эфендиева Зарифа Джахангир, д-р наук, доц., зав. кафедрой, efendi2005@rambler.ru, Азербайджан, Баку, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности,
Османов Тахир Рустам, ассистент, tahir.osmanl@mail.ru, Азербайджан, Баку, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности
RESEARCH OF LOW-QUALITY BENTONITE CLAY OF AZERBAIJAN FOR THE PRODUCTION OF KERAMZITE
N.G. Valiev, Z.J. Afandiyeva, T.R Osmanli
The presence in the Republic of Azerbaijan of large deposits of bentonite, bentonite-like and fusible clay rocks makes it possible to widely develop the production of artificial porous aggregates. The purpose of this work was to study the possibility of obtaining expanded clay from bentonite clay deposits in Azerbaijan. The studied bentonite clays of the Dashsala-khli deposit of the Republic of Azerbaijan in their natural state (without additives) are characterized by a low swelling coefficient (less than 1.4). A significant increase in the bloating of these bentonite clays was achieved by introducing in tumescent additives in the form of spent
gumbrin, sulfide-alcohol stillage, sawdust, etc. into the charge. As a result of the research, the possibility of obtaining lightweight aggregates of the expanded clay type from bentonite clays of the Dashsalakhlinskoe deposit was established.
Key words: dashsalahli deposit, low-quality bentonite clays, swelling coefficient, sul-fide-alcohol stillage, light aggregates, heat treatment, keramzit.
Valiev Niyaz Gadym Оgly, doctor of technical sciences, professor, head of chair, scince@ursmu.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University,
Afandiyeva Zarifa Jahangir, doctor of sciences, associate professor, head of chair, efendi2005@rambler.ru, Azerbaijan, Baku, Azerbaijan State University of Petroleum and Industry,
Osmanli Tahir Rustam, assistant, tahir.osmanl@,mail.ru Azerbaijan, Azerbaijan, Baku, Azerbaijan State University of Petroleum and Industry
Reference
1. Chentemirov M.G., Gornykh V.P. Production and application of expanded clay // Gosstroyizdat.1963. 104 p.
2. Instructions for firing expanded clay in rotating furnaces. The State Committee for Industrial Building Materials under the USSR State Construction. Expanded clay. 1965.
3. Elinzon M. P., Vinogradov B.N. On the choice of raw materials for the production of expanded clay gravel and aggloporite. Expanded clay and aggloporite as a building material // Nedra. 1966. 152 p.
4. Gorin V. M., Tokareva S. A., Kabanova M. K. High-strength expanded clay and keramdor for load-bearing structures and road construction // Building materials. 2010. No. 1. pp. 9-11.
5. Gorin V.M., Tokareva S.A., Kabanova M.K. Expanded clay. Experience and prospects for the development of production and application // Building materials. 2004. No. 11. pp. 32-34.
6. Onatsky S.P. Selection and evaluation of clay raw materials for the production of kramsite. The State Publishing House of Literature on Construction Materials. 1957. 20 p .
7. Onatsky S.P. Production of expanded clay // Stroyizdat. 1987. 333 s
8. Mestnikov A.E. Clay raw materials of Yakutia for the production of expanded clay // Modern high-tech technologies. 2022. No. 3. pp. 30-34
9. Surkov M.D., Rakova O.V., Antoshkina E.G. Investigation of sorption properties of bentonite clay of the Zyryansk deposit // Ecobiological problems of the Azov-Black Sea region and integrated management of biological resources. Chelyabinsk. Publishing house of South-Ur. GU. 2016. pp. 279-280.
10. Kolesnikov E.A. Swelling of fusible clays // Glass and ceramics. 1974. No. 5. pp.
28-30.
11. Gervids I.A. Keramzit // Gosstroizdat. 1957. 76 p.
12. Chernyak Ya.N.; Essays on the history of brick production in Russia of the XIX century. XX century. v. / under the general ed. Lukyanova P.M. M.: Stroyizdat, 1957. 79 p.
13. Pavlov V.F. Physico-chemical bases of firing of building ceramics products. Moscow: Sroizdat, 1977. 239 p.
14. Rasulov I.A. Investigation of technological features of the limestone from clay rocks of Uzbekistan and Southern Kazakhstan. Tashkent: 1968.
15. Development of mass compositions for ceramic tiles using Logon bentonite clay as a plasticizing component / T.T. Sabirov, S.S. Tairov, Z.R. Kadyrova, A.M. Eminov // Uzbek Chemical Journal. 2019. No. 3. pp.42-49.
16. Alizade H.A., Zohrabova V.R. Bentonite clays. In the book. Geology of Azerbaijan, volume VI. Minerals. Baku: Nafta-Press, 2003. pp. 426-436.
17. Dunyamaliev F.A., Mukhtarov G.G., Shirinov Yu.R.The main production of bentonite is in Azerbaijan. Baku: Adyloglu, 2004. 377.c
18. Efendieva Z.J. Bentonites of Azerbaijan // Mining Journal. 2007. No. 4. pp.15-17
19. Efendieva Z. J. Possible areas of use of bentonite clays of Azerbaijan deposits // Mining Journal. Moscow. 2007. No. 10. pp. 90-92.
20. Nasedkin V.V., Shirizade N.A. Dash-Salakhli bentonite deposit. Formation and prospects of development. Geos. 2008. 85.s.
УДК 622.283 (470.53)
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОПРЯЖЕНИЙ
В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ
О.В. Иванов, В.Н. Аптуков, В.В. Тарасов, В.С. Пестрикова
Приведены примеры эксплуатации сопряжений со стволами в калийных рудниках Верхнекамского месторождения. Представлены результаты численного моделирования на прогноз деформирования крепи сопряжения с податливым слоем в перспективе длительной эксплуатации. Предложены решения по рациональному проектированию новых сопряжений с учетом анализа данных по эксплуатации действующих шахтных стволов.
Ключевые слова: шахтный ствол, сопряжение, железобетонная крепь, деформация, бетонная крепь, податливый слой.
Введение. Участки примыкания вертикального ствола с горизонтальными горными выработками и околоствольными камерами дозаторных устройств называются сопряжениями. В калийных рудниках сопряжения с вертикальными стволами проходятся в соляных породах (каменная соль, сильвинит) и отличаются сложной конфигурацией, а в местах их сооружения в наибольшей мере проявляется действия горного давления. Отличительным свойством соляных пород является их ползучесть без разрыва массива. В результате ползучести возникает и развивается во времени давление на крепь горных выработок.
Сопряжения являются долгосрочными сооружениями и поэтому их крепят монолитной бетонной или железобетонной крепью при сводчатой форме сечения в относительно устойчивых породах, или сборной железобетонной крепью - при прямоугольном сечении в неустойчивых породах. Почву сопряжения крепят монолитной железобетонной крепью с оставлением проемов для толкателей вагонеток. Работы по рассечке
