CC BY
12УДК 666.3.046
СТЕНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ КАРКАСНО-СОТОВОЙ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ КВАРЦЕВЫХ ГЛИНИСТЫХ ПЕСКОВ
Федоркин С.И., Макарова Е.С., Елькина И.И.
Академия строительства и архитектуры (структурное подразделение) ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского», 295493 РК г. Симферополь, у. Киевская, 181 E-mail: irivel@mail.ru
Аннотация. В статье предложена технология получения стеновых материалов наполненной каркасно-сотовой структуры на основе мелкозернистых кварцевых глинистых песков способом их гранулирования, накатки на гранулы слоя цемента и прессования изделий. Предложен механизм образования двухслойных гранул, зависимость их выхода и размера от влажности песка в грануляторе. Определены физико-механические свойства образцов в зависимости от толщины каркаса и разработана технологическая схема производства стеновых материалов.
Ключевые слова: стеновые материалы, кварцевый глинистый песок, цемент, гранулирование, двухслойные гранулы, физико-механические свойства, технологическая схема.
ВВЕДЕНИЕ
При современном уровне и масштабах потребления природных сырьевых материалов значение фактора полноты использования и вовлечения в общественное производство вторичных материальных ресурсов имеет первостепенное значение. Комплексное использование сырья и отходов важно еще и потому, что оно связано с решением проблемы создания безотходных и экологически чистых технологий.
Увеличение объемов производства
искусственных стеновых строительных материалов в Республике Крым может быть достигнуто путем использования их при изготовлении промышленных отходов и некондиционных песков, не отвечающих требованиям стандартов.
Зачастую для использования такого местного сырья необходима разработка новых эффективных технологий или усовершенствование существующих способов производства стеновых материалов.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИИ
Научные школы Ю.М. Баженова, П.П. Будникова, В.Т. Ерофеева, П.Г. Комохова, Л.Б. Сватовской, Т.М. Петровой, В.И. Соломатова и других ученых выполнили обширные исследования в области использования отходов в производстве строительных материалов.
В Республике Крым практически отсутствуют кварцевые пески, пригодные для производства качественных бетонных стеновых материалов [1]. Наиболее качественные пески морского побережья Крыма и акватории Черного моря нельзя разрабатывать из-за возможности развития оползневых явлений и ликвидации пляжей.
Аллювиальные, пролювиально-делювиальные пески, развитые в центральной части Крымского полуострова, сильно глинистые и требуют обогащения. Пески, связанные с неогеновыми и меловыми отложениями, мелко- и тонкозернистые,
сильно глинистые и для получения изделий на основе цемента не пригодны [2].
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей статье изложены результаты исследований, целью которых являлась разработка технологии изготовления стеновых материалов каркасно-сотовой структуры на основе мелкозернистых кварцевых глинистых песков и портландцемента.
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ С РЕЗУЛЬТАТАМИ И ИХ АНАЛИЗОМ
В настоящей статье приведены результаты исследований по получению стеновых материалов на основе цемента и некондиционного мелкозернистого кварцевого песка с большим содержанием глины (до 23%) месторождения Цветочное, расположенного в пос. Крымская Роза в 25 км от Симферополя.
Полезным ископаемым является пески готеривского яруса нижнего мела (мазанская свита), перекрытые делювиальными суглинками и почвенным слоем. Пески кварцевые, сильно глинистые, уплотненные, слоистые, с линзами и прослойками галечников, гравия, песчаников и глин. По литологическому составу толща песков разделяется на три слоя. Пески верхнего слоя мелкозернистые, глинистые средней мощности 3,5 м; средний слой представлен мелкозернистым глинистым песком с небольшим количеством гравийно-галечного материала средней мощностью 10,3 м; нижний слой сложен мелкозернистым песком с редкими линзами глин и имеет мощность 12,5 м.
Минералогический состав песка представлен кварцем (90-95%), песчаником (5-10%), халцедоном и полевым шпатом (от единичных зерен до 5%).
Гранулометрический состав песков приведен в табл.1.
Таблица 1
№ п/п Показатели Верхний слой Средний слой Нижний слой
1 Содержание гравия, %:
- размер >10 мм 5,7 2,5 3,2
- размер >5 мм 3,1 1,8 4,7
2 Содержание зерен 0,14-5 мм, % 47,5 78,5 85,8
3 Содержание зерен < 0,14 мм, % 52,5 21,5 14,2
4 Модуль крупности 0,95 1,47 1,82
5 Содержание глины, % 22,6 12,9 8,5
6 Содержание органических примесей, % нет нет нет
Песок этого месторождения не соответствует требованиям стандартов (ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия») является некондиционным и не может быть использован для бетона и строительных растворов.
Разведанные запасы песков без учета прироста к югу, западу и востоку от действующего карьера составляют 1117, 2 тыс. м3. В настоящее время месторождение разрабатывается селективно и песок
используется главным образом для штукатурных и кладочных растворов.
Авторами усовершенствована технология получения стеновых материалов каркасно-сотовой структуры [3,4]. Суть этой технологии (рис. 1) заключается в получении гранул из мелкозернистых кварцевых песков с большим содержанием глины методом гранулирования, нанесения на полученные гранулы тонкого слоя портландцемента, полусухого прессования и твердения изделий.
Рис. 1. Технология производства стеновых материалов каркасно-сотовой структуры
Для отработки технологии в лабораторных условиях помимо песка использовали портландцемент Бахчисарайского цементного завода Цем 1 42,5Н по ГОСТ 31108-2003. Из
двуслойных гранул, полученных на лабораторных тарельчатых грануляторах, прессовали образцы-цилиндры размером 5х5 см при удельном давлении прессования 20МПа. Определение физико-
механических характеристик образцов выполняли в возрасте 28 суток по стандартным методикам. Внутренняя структура образцов (рис.2) представляет собой прочный цементный каркас, который образует замкнутые ячейки- соты,
заполненные песком. Механическую нагрузку при прочностных испытаниях образцов воспринимает затвердевший цементный каркас. Этот каркас, в основном, определяет механическую прочность образцов.
Рис. 2. Внутренняя структура образцов каркасно-сотовой структуры (1 - цементный каркас; 2 - соты, заполненные песком)
2
Одной из основных технологических операций при изготовлении стеновых материалов каркасно-сотовой структуры является получение двухслойных гранул.
Основываясь на результатах экспериментальных данных, авторами предложен механизм образования двухслойных гранул. Его можно представить следующим образом. На первом этапе процесс образования гранул при увлажнении порошка песка осуществляется за счет капиллярных сил сцепления и сил поверхностного натяжения. Преобладающими на этом этапе являются процессы агломерации частиц и накатки песка на увлажненную поверхность гранул, образующуюся выдавливанием избыточной влаги при перемещении гранул в грануляторе.
Полученные гранулы песка для накатки на их поверхность слоя портландцемента направляют в другой гранулятор. На этапе перезагрузки гранул происходит выравнивание влажности гранул за счет диффузии влаги в теле гранулы от слоев с большей концентрацией влаги к слоям с меньшей концентрацией влаги. На третьем этапе накатки портландцемента на влажные гранулы из песка происходит дальнейшее выдавливание избыточной влаги на поверхность гранул. Влажная оболочка гранул песка обеспечивает дальнейший рост гранул за счет простого наслаивания частиц портландцемента на их поверхность.
Существующий опыт получения
гранулированных продуктов свидетельствует о том,
что основными параметрами, определяющими качество гранул, являются их влагосодержание и длительность пребывания материала в грануляторе. Для гранулирования методом окатывания характерна очень узкая область оптимальных отношений жидкой и твердой фаз. Влажность материала в грануляторе существенно влияет на выход товарной фракции [5].
Исследование зависимости выхода товарной фракции двухслойных гранул (диаметром 5-10 мм)от влажности песка в грануляторе (рис.3) показало, что по мере увлажнения песка выход товарной фракции гранул увеличивается.
Максимальный выход гранул (70-75%) фракции диаметром 5-10 мм соответствует оптимальной влажности материала 7-10%. При накатке на песчаные гранулы с этой влажностью слоя портландцемента толщиной 0,5-1,5 мм влажность гранул снизилась до 7-8% и стала соответствовать оптимальной формовочной влажности,
необходимой для полусухого прессования материалов каркасно-сотовой структуры.
В таблице 2 приведены результаты определения физико-механических характеристик образцов в зависимости от толщины стенок каркаса. Толщину стенок каркаса регулировали путем варьирования в тарельчатом грануляторе времени накатки портландцемента на гранулы песка. Средний размер ячеек-сот для испытуемых образцов составлял 5-7 мм.
—
а%
\
Рис. 2. Зависимость выхода гранул диаметром 5-10 мм (V) от влажности песка в грануляторе
Испытания образцов, изготовленных в лабораторных условиях из свежеотформованных двухслойных гранул, подтвердили возможность получения стеновых материалов каркасно-сотовой структуры с пределом прочности при сжатии 17-20МПа.
Таблица 2.
Физико-механические свойства образцов каркасно-сотовой структуры в зависимости от толщины стенок
Анализ полученных результатов показывает, что по предлагаемой технологии могут быть получены стеновые материалы, соответствующие, например, марке кирпича М150-М200 по ГОСТ 6133-99.
ка ркаса
Средняя Предел Средняя плотность, кг/м3 Водопоглощение, Морозостойкость, цикл
толщина прочности %
стенок при сжатии,
каркаса, мм МПа
0,2 9,5 1340 20,5 <50
0,5 14,2 1375 18,3 <50
1,0 17,6 1405 17,4 50
1,5 20,0 1430 17,0 50
2,0 20,4 1456 15,6 50
ВЫВОДЫ
1. Обоснована технология производства стеновых материалов каркасно-сотовой структуры на основе мелкозернистых кварцевых песков и портландцемента и показана возможность получения изделий с пределом прочности при сжатии 17-20 МПа.
2. Предложен механизм образования двухслойных гранул в грануляторах окатывания, используемых для изготовления стеновых материалов каркасно-сотовой структуры и определена оптимальная влажность песка в грануляторе (7-10%), соответствующая максимальному выходу (65-73%) гранул необходимой фракции (5-10мм).
3.Промышленное освоение разработанной технологии позволит получить стеновые материалы М150-М200 для строительства, реконструкции и восстановления зданий и сооружений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Затон, К. Д. Минеральная сырьевая база строительных материалов Украины. Крымская область [текст] / Затон К.Д., Гурджи В.Л. - Киев: Издательство Мингеологии СССР, 1973. - 248 с.
2. Кафтаева, М.В. Мелкозернистые бетоны. Способы регулирования свойств [текст] / М.В. Кафтаева. - Белгород: Издательство БГТУ им. В.Г. Шухова, 2007. - 169 с.
3. Устьянов, В.Б. Ячеистозаполненная керамика [текст] / Устьянов В.Б., Иващенко В.В. // Стекло и керамика. 1985. №.5. С. 29-30.
4. Федоркин С.И. Способ производства декоративных изделий : пат. 2044642 ЯИ, МПК 6 В28В11/06 Украина. 1995. Бюл. № 27. 3 с.
6. Любомирский Н.В., Федоркин С.И., Влияние давения углекислого газа на кинетику
5. Классен П.В., Гришаев И.Г., Шомин И.П. Гранулирование. М.: Издательство Химия, 1991. 240 с.
принудительной корбанации известкового камня полусухого прессования и формирования его прочности.// Строительство и техногенная безопасность №3 (55). 2016.- С.28-38.
Fedorkin S. I., Makarova E. S., Elkina I.I.
WALL MATERIALS OF THE FRAMEWORK-CELL STRUCTURE ON THE BASIS OF FINE-
QUALITY QUARTER CLAYS
Annotation. The paper proposes a technology for producing wall materials withfilled frame-cellular structures based on finegrained quartz clay sands by granulation, rolling a cement layer onto the pellets, and presswork. A mechanism for forming two-layer pellets is proposed that provides adjustment of thepellet size and yield by changing the sand moisture level in the granulator. The physical and mechanical properties of sampleshave been determined as function of the frame thickness and the flow chart for producing wall materialshas been designed.
Key words: wall materials, quartz clay sand, cement, granulation, two-layer pellets, physical and mechanical properties, flow chart.
