CC BY
263
ГЕОТЕХНОЛОГИЯ
УДК622.4
ПРОИЗВОДСТВО ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЛЕГКИХ БЕТОНОВ ИЗ ОТХОДОВ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ
А.К. Абрамов, В.И. Ефимов
Разработана новая технология переработки мелкодисперсных отходов углеобогащения в аглопорит, применяемый как заполнитель в конструкционных легких бетонах, дорожном строительстве. В сравнении с широко используемым керамзитом, аглопорит имеет значительные преимущества: более высокую прочность, низкую себестоимость, возможность производства из промышленных отходов.
Ключевые слова: отходы углеобогащения, аглопорит, легкий бетон, аглопори-тобетон
В России накоплено свыше 85 млрд т твердых угольных отходов и в соответствии с энергетической стратегией развития объем ежегодно образующихся отходов в ближайшие годы может превысить 3 млрд т. При этом основная часть отходов, 85 %, приходится на Кузбасс. Из всех угольных отходов только 3 % используется в создании товарной продукции [1].
Крупнотоннажные отходы производства, содержащие минеральные материалы могут, служить сырьём для производства строительных материалов. В современном строительстве резко возрастает потребность в высокопрочных, энергосберегающих строительных материалах, которые обладают развитой сырьевой базой и изготавливаются с использованием малозатратных технологий.
Разработана новая технология переработки мелкодисперсных отходов углеобогащения на обогатительных фабриках в аглопорит, применяемый как пористый заполнитель в конструкционных легких бетонах и в дорожном строительстве. В сравнении с широко используемым керамзитом аглопорит по данной технологии имеет значительные преимущества: при равной плотности выше прочность, ниже себестоимость, возможность производства из промышленных отходов.
Начало интенсивного развития производства пористых заполните-
лей (к которым относится и аглопорит) приходится на 60-е гг. прошлого века, и наибольший выпуск был достигнут в 1989 г. Но экономический кризис 1990-х гг., выросшие требования к энерго-экологической безопасности обусловили резкое снижение спроса на пористые заполнители и явились основными причинами уменьшения их выпуска, закрытия многих предприятий. В настоящее время в России пористых заполнителей выпускают чуть более 20 % от объема 1989 г. [2]
Отметим факторы и условия, которые могут определять развитие производства пористых заполнителей. Их можно разделить на объективные, которые не зависят от организаторов строительства, и субъективные, зависимые от участников строительного производства и топливно-энергетического комплекса.
Объективные факторы:
1) мощная сырьевая база, включая крупнотоннажные отходы промышленности, в первую очередь топливосодержащие. Многочисленные работы показали, что замена природного глинистого сырья на топливосодержащие отходы (углеотходы, золошлаковые материалы ТЭС) может снизить расход топлива на изготовление заполнителей несколько раз;
2) пористые заполнители, как и все керамические материалы, обладают высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред и относятся к долговечным материалам. Мировая практика имеет многочисленные примеры применения легких бетонов на пористых заполнителях в строительстве уникальных сооружений, в том числе гидротехнических. Некоторые из них построены около 2 тыс. лет назад. Это, например, гидротехнические сооружения в Анконе (Италия), построенные в начале нашей эры и эксплуатирующиеся и в настоящее время [2];
3) технология получения пористых заполнителей проста, отличается высокой механизацией, ее легко автоматизировать;
4) основная часть территории России представляет собой равнину, 85 % площади которой покрыто осадочными образованиями и 25... горными породами, из которых производится крупный заполнитель - щебень. Перевозка щебня в наших условиях составляет 300.500 км, что определяет высокую, постоянно растущую их стоимость;
5) пористые заполнители - экологически чистые материалы. Субъективные факторы:
- пористые заполнители имеют широкую сферу применения в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.
- для получения качественного бетона важным условием является надежное обеспечение постоянства зернового состава заполнителей. Обследование 86 предприятий ЖБК показало, что в дозаторы от замеса к замесу поступают крайне неоднородные по зерновому составу заполнители. Так, в гранитном щебне 5.20 мм содержание фракций мельче 5 мм (каменной крошки и пыли) колеблется от 0,5 до 37 %, что почти в 3 раза пре-
вышает пределы, установленные ГОСТ 8267-93, колебания в соотношении фракций 5...10 и 10...20 мм превышает пределы ГОСТ в 4 раза. А анализ состояния технологии производства природных заполнителей в карьерах показывает, что гарантированное сохранение постоянства зернового состава заполнителей нереально и неосуществимо в обозримом будущем [3]. В производстве пористых заполнителей таких проблем нет.
1. В строительной индустрии России наблюдается нехватка щебня
"5
и песка. В 2006 году было поставлено около 170 млн м различных заполнителей, а нужно было в 2 раза больше. Недостающий щебень в Европейской части России приходится завозить с Украины и Белоруссии. Доля затрат на транспортировку составляет почти 70 % от суммы затрат на горные работы [4]. Компенсировать нехватку сырья для производства заполнителей нужно использованием промышленных отходов, в том числе производством пористых заполнителей. В развитых странах их доля составляет 60 % от общего объема заполнителей. Разработанная технология позволяет производить аглопорит разных форм и размеров. На рисунке представлены образцы формованного, обожженного аглопорита в виде кубиков, колец и цилиндров.
Образцы формованного, обожженного аглопорита в виде кубиков, колец и цилиндров
В табл. 1 приведены геометрические характеристики керамзита шарообразной формы, аглопорита в виде цилиндров и кубиков.
Самая привлекательная форма заполнителя та, у которой более высокие поверхность и прочность. Данные характеристики обеспечивают повышенную прочность бетона. Следовательно, наиболее оптимальной формой заполнителя является куб. Применяя аглопорит в виде колец, можно снижать плотность и теплопроводность бетона.
Таблица 1
Характеристики форм заполнителей__
Вид формы Размер Фор- Размер Коэффи- Прочность на Примеча-
мула поверх- циент по- сжатие ние
опреде- ности, 2 см верхности
ления
поверх-
ности
Шар Диа- 8 ла2 3,14 примем Минимальная. Форма ке-
метр коэффи- Сила разру- рамзита
1см циент 8 шара за 1 шения прилагается в точке
Цилиндр Диа- 8 =лаь 4,71 1,5 Средняя.Сила Форма аг-
метр +па2/2 разрушения лопорита
1см, прилагается по
высота линии
1см
Куб Ребро 1см 8 = 6а2 6,0 1,9 Максималь-ная.Сила разрушения прилагается по поверхности Форма аг-лопорита
В табл. 2 приведены технические характеристики аглопорита.
Таблица 2
Технические характеристики (испытания проведены по ГОСТ 9758-86)
п/п Наименование показателя Единица измерения Требования по ГОСТ 9757-90 Фактически полученные результаты
1 Внешний вид Гранулы Гранулы: цилиндры, кубики
2 Фракционный состав Мм 5...20 5.10 10.15 15.20
3 Насыпная плотность Кг/м3 250...900 770
4 Марка по насыпной плотности - 250.900 800
5 Прочность при сжатии (в зависимости от плотности) МПа Не менее 1,.0 Более 10
6 Марка по прочности (в зависимости от плотности) - Не менее П150 Нет аналога
Как известно, основой строительства является сборный железобетон, и в последние годы он претерпевает качественные изменения в направлении уменьшения массы, теплопроводности. Это реализуется пу-
тем внедрения легких бетонов на пористых искусственных заполнителях. Модифицированные конструкционные легкие бетоны изготавливают так же, как и тяжелые бетоны аналогичных конструкций, но при этом экономия массы составляет 20...50 %. Также снижается теплоотдача зданий, повышается их уровень теплозащиты, паропроницаемости, что ведет к повышению комфортности проживания. В табл. 3 приведены основные преимущества конструкционных легких бетонов в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами [5].
Таблица 3
Основные преимущества конструкционных легких бетонов классов по прочности на сжатие В15-В50 в сравнении с равнопрочными
тяжелыми бетонами
Свойства Преимущества Эффект
Плотность Меньше на 20.50 % Снижение массы конструкций, зданий, сооружений на 20.50 % - сокращение расходов бетона, арматуры, уменьшение осадки здания
Уровень нижней и верхней границы области микротре-щинообразования Больше на 16.25 % Выше граница перехода линейной ползучести в нелинейную, отсюда больше эффективность пред-напряжения арматуры в конструкциях. Выше на 20.30 % предел выносливости бетона при действии многократно повторных нагрузок сжатия. Меньше на 16.23 % виброползучесть. Выше предел длительной прочности бетона
Коэффициент динамического упрочнения. Предельная деформативность в режиме ударного нагружения Больше на 17.25 %. Больше на 15.26 % Выше ударная вязкость - меньше относительное количество разрушающихся оголовков забиваемых свай. Выше долговечность свайных ростверков зданий
Морозостойкость. Водонепроницаемость Больше на 2.5 марок. Больше на 1.3 марки Увеличение долговечности конструкций и надежности зданий и сооружений в эксплуатации
Коэффициент теплопроводности Меньше в 2,5.3,5 раза Сокращение до 25 % теплопотерь через наружные стены зданий в местах сопряжений с несущими конструкциями, снижение теплоотдачи здания.
Стойкость к огневому воздействию Больше на 0,3 .0,5 ч Увеличение предела огнестойкости конструкций по несущей способности, повышение пожаробезопасно-сти здания
Также легкие бетоны дают значительную технико-экономическую эффективность и в дорожном строительстве. Аглопорит может применяться в различных слоях дорожной конструкции:
- в составе асфальтобетонной смеси для верхнего слоя дорожной одежды;
- в качестве минеральной составляющей в битумоминеральной смеси;
- в составе цементобетона;
- в составе слоя основания (укрепленного малыми дозами цемента, металлургическими шлаками).
Особенно целесообразно применять аглопорит в асфальтобетонах в районах с резким континентальным климатом, что обусловлено их высокой теплоизолирующей способностью и низкой трещиностойкостью, а также в районах, где нет природных заполнителей [6].
Из аглопорита были приготовлены легкие бетоны. В табл. 4 приведены технические характеристики легкого бетона.
Таблица 4
Технические характеристики легкого бетона из аглопорита
Наименование показа- Единица Требования Фактически
п/п теля измерения по ГОСТ 25820- полученные
2000 результаты
1 Плотность Кг/м3 Не выше 2000 1680
2 Марка по плотности - Не выше Д2000 Д1700
3 Прочность на сжатие МПа Не ниже 15 62
4 Марка по прочности - Не ниже М150 М600
5 Класс бетона - Не ниже В 15 В45
6 Назначение - Конструкционный Конструкционный
Согласно современным требованиям [7, 8] легкие бетоны могут быть отнесены к высокопрочным в том случае, если выполняется условие
Рсж / рб > 25,
где Рсж - прочность бетона при сжатии, МПа, рб - плотность бетона в су-
-5
хом состоянии, кг/дм .
В данном случае Рсж / рб = 62/1,7 = 36,5.
Для сравнения характеристик по теплопроводности между аглопо-ритобетоном и керамзитобетоном приведены данные их коэффициентов теплопроводности при различных плотностях (табл. 5).
Таблица 5
Сравнение значений коэффициентов теплопроводности аглопоритобетона и керамзитобетона при различных плотностях 1
Плотность, кг/м3 1600 1800 Примечание
Аглопоритобетон,^, Вт/м К 0,62 0,74 Замеренные данные
КерамзитобетонД, Вт/м К 0,6 0,7 Табличные данные. ТКП 45-2.04-43-2006 (02250) «Строительная теплотехника»
Превышение значений, % 3,3 2,8 Превышение теплопроводности аглопоритобетона над керамзитобетоном незначительное
Таким образом, из выше изложенного видно, что полученный из отходов углеобогащения аглопорит и легкие бетоны на его основе имеют высокие технические характеристики, востребованы на рынке строительных материалов. Так как аглопорит изготавливается из углесодержащих отходов, то его себестоимость значительно ниже, чем у керамзита. Угля, содержащего в сырье, достаточно для процессов сушки, обжига аглопори-та, и имеется возможность часть тепла передавать на технологические нужды обогатительной фабрики.
Список литературы
1. Методологические основы оценки ценности углепромышленных отходов для расширения масштабов их использования в хозяйственной деятельности// В.Б. Казаков [и др.]// Уголь. 2012. №4. С.50-52.
2. Петров В.П., Токарева С.А. Пористые заполнители из отходов промышленности// Строительные материалы. 2011.№12. С.46-50.
3. Ночной А.В. Заполнители - основа качества бетона//Технология бетона. 2006. №1. С.60-61.
4. Орентлихер Л.П. XXI век - век легких бетонов//Технология бетонов. 2010. №1/2. С. 31-33.
5. Полифункциональные легкие бетоны для ресурсоэнергосбе-регющего индустриального домостроения // В.Н. Ярмаковский [и др.]. Строительные материалы. 2012.
Абрамов Анатолий Кузьмич, директор, v.efimov@mirtrade.ru, Россия, Москва, ООО НПП «Крона-СМ»,
Ефимов Виктор Иванович, д-р техн. наук, проф., v.efimov@mirtrade.ru, Россия, Москва, Московский государственный горный университет
FILLING AGGREGATE PRODUCTION FOR LIGHT CONCRETES FROM WASTES OF COAL PREPARATION
Anatoly K. Abramov, Victor I. Efimov
New technology of producing an agloporit from fine-dispersed wastes of coal preparation was elaborated. The agloporit can be used as filling aggregate in construction light
concretes and highway engineering. The agloporit as compared with used extensively haydite has follow advantages: high strength, low prime cost, possibility of producing from wastes.
Key words: wastes of coal preparation, agloporit, light concrete, agloporit-concrete.
Abramov Anatoly K., director, v.efimov@mirtrade.ru, OOO Russia, Moscow, NPP "Krona-CM",
Efimov Victor I., doctor of technical sciences, Full Professor, v.efimov@,mirtrade.ru Russia, Moscow, Moscow State Mining University
УДК 622
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В БРИКЕТАХ ЭКСТРУЗИИ (БРЭКСАХ) ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
А.М. Бижанов, И.Ф. Курунов, Д.В. Ивонин, В.И. Ефимов
Предложено на основе гидродинамического подхода объяснение явления выдавливания мелкой фракции на поверхность в процессах экструзионного окускования углеродсодержащих материалов. Изученное явление может оказывать заметное влияние на процесс сушки брэкса. Предложенная модель может применяться для изучения этого явления при производстве керамических изделий и брикетов экструзии (брэксов) способами жесткой и пластической экструзии.
Ключевые слова: брикет экструзии (брэкс); жесткая вакуумная экструзия; мелкая фракция; гидродинамическая модель.
Технология жесткой вакуумной экструзии компании «J.C. Steele & Sons, Inc.» успешно начала применяться для производства брикетов экструзии (брэксов), эффективно используемых в составе шихты доменных и ферросплавных печей [1-2].
Одним из отличительных свойств брэксов является высокая степень однородности их фазового состава, обеспечиваемая применением шнеко-вой транспортировки и формования гомогенной смеси на всех стадиях технологического процесса, от питателя равномерной подачи до экструде-ра.
Вместе с тем, в зависимости от гранулометрии и процентного содержания исходных компонентов шихтовой смеси в процессе ее экструзи-онного окускования могут происходить явления структурообразования, приводящие к неоднородному распределению частиц разного размера по радиусу брэкса. В частности, может наблюдаться выдавливание мелкой фракции шихтовой смеси на его поверхность.
Такие явления иллюстрируются рис. 1, на котором приведены фотографии брэксов, изготовленных из смеси углеродсодержащего материала и мелочи строительных материалов (рис. 1, а). Хорошо видно, что угле-
