 |
Технология плотных заполнителей
|
|
|
|
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ БЕТОНА
Учебное пособие
Сатка
Издание филиала ЮУрГУ
УДК 693.552
М268
Одобрено
Советом филиала ЮУрГУ в г. Сатка
Марков, А.Б.
М268 Технология заполнителей бетона: учебное пособие / А.Б. Марков: Изд-во филиала ЮУрГУ в г. Сатка, 2010. –
Учебное пособие представляет собой конспект лекций по курсу «Технология заполнителей бетона», читаемых для студентов заочного отделения специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций». В пособии рассматриваются основные виды заполнителей бетона, даётся их характеристика, технология производства и применение в различных отраслях строительной индустрии. В учебном пособии приведены также варианты контрольных работ, которые должны выполнить студенты. Приводится обширный библиографический список.
УДК 693.552
© Издание филиала ЮУрГУ, 2010
1. ЗАПОЛНИТЕЛИ И НАПОЛНИТЕЛИ
1.1. Назначение заполнителей [ 54 ]
Заполнители – это природные или искусственные материалы определённого зернового состава, которые в рационально подобранной смеси с вяжущим веществом и водой образуют бетон. Вяжущее, реагируя с водой, способно схватываться и твердеть, переходя из пластичного пастообразного состояния в твёрдое. В результате смесь превращается в бетон.
Заполняя в бетоне до 80% объёма, заполнители позволяют резко сократить расход цемента и других вяжущих, которые являются наиболее дорогой и дефицитной частью бетона.
Цементный камень при твердении претерпевает объёмные деформации – усадку. В результате неравномерности усадочных деформаций возникают внутренние деформации и трещины. Они снижают прочность и долговечность цементного камня. Заполнители создают в бетоне жёсткий каркас, который воспринимает усадочные напряжения и уменьшает усадку в 10 раз по сравнению с усадкой цементного камня.
|
|
|
Лёгкие наполнители уменьшают плотность бетона и его теплопроводность.
1.2. Наполнители [ 54 ]
Наполнители – это порошкообразные материалы, частицы которых соизмеримы с частицами вяжущего вещества. Размер частиц обычно не более 1-2 мм.
Общие функции наполнителей:
1) заполнение пор в микроструктуре без вступления в химические взаимосвязи с компонентами;
2) увеличение водоудерживающей способности порошкообразного вяжущего вещества;
3) развитие зоны контакта между крупнозернистыми компонентами бетона;
4) снижение теплового напряжения в материале, появляющегося за счёт различия в коэффициентах температурного расширения вяжущего вещества и заполнителя;
5) повышение огнестойкости;
6) снижение истираемости;
7) удешевление материала за счёт частичной замены дорогостоящего вяжущего местным дешёвым наполнителем.
Наполнители бывают:
1) известковые и доломитовые порошки;
2) тонкоизмельчённые горные породы и минералы вулканического происхождения;
3) порошки помола керамического боя, шамота и других отходов промышленности;
4) асбестовые отходы;
5) древесная мука;
6) зола-унос, колошниковая пыль и другие.
1.3. Классификация заполнителей [ 54 ]
По происхождению выделяют заполнители:
1) природные (гранит, сиенит, диорит другие);
2) из отходов промышленности, которые получаются без изменения их химического и физического состояния (доменные и отвальные шлаки);
3) искусственные, то есть специально подготовленные. Они характеризуются:
- видом сырья: природное, из отходов или их смесь (например, вспучиванием глины получают керамзит);
- технологией производства (поризацией расплава доменных шлаков получают шлаковую пемзу).
|
|
|
По крупности зёрен заполнители подразделяют на:
1) крупные – с зёрнами свыше 5 мм (щебень, галька);
2) мелкие – с размером зёрен до 5 мм (песок).
По характеру формы зёрен различают:
1) заполнители, имеющие угловатую (неправильную) форму, получаемые дроблением;
2) заполнители, имеющие округлую форму (гравий).
Заполнители в соответствии с основным назначением подразделяют:
1) для тяжёлых и лёгких бетонов;
2) для специальных бетонов (жаростойких, химически стойких и других).
1.4. Плотность заполнителей
Истинная плотность вещества заполнителя (породы, зёрен) представляет собой отношение массы к объёму вещества без пор. Определяется пикнометрическим методом.
Среднюю плотность зёрен (объёмную массу) песка, щебня или гравия оценивают как отношение массы пробы сухого песка (щебня, гравия) к суммарному объёму его зёрен.
Плотность пористого заполнителя определяют с использованием весов для гидростатического взвешивания.
Среднюю насыпную плотность песка (щебня, гравия) определяют в неуплотнённом состоянии. Для этого материал насыпают в предварительно взвешенный цилиндр известной ёмкости. Взвешивают цилиндр с насыпанным в него материалом. По соотношению массы материала и занимаемого им объёма вычисляют среднюю насыпную плотность.
Изменение объёма свободно засыпанного песка в зависимости от его влажности необходимо учитывать при дозировке песка для бетонной смеси и в других случаях, когда применяется влажный песок (например, при его добыче или обогащении гидроспособом).
1.5. Пористость и пустотность хаполнителей
Пористость – представляет собой отношение суммарного объёма всех пор в зерне заполнителей к объёму зёрен.
Изменение средней плотности (объёмной массы) заполнителя от лёгких до тяжёлых происходит за счёт его пористости. Пористость тяжёлых заполнителей выражается от долей процента (гранит) до нескольких процентов (известняки). Лёгкие заполнители имеют пористость от 25 до 80-90%.
Объём зерновых пустот в заполнителе или его пустотность входит в формулы для расчёта состава бетона.
Пустотность заполнителя в процентах по объёму вычисляют, зная величины его средней плотности и средней плотности зёрен.
|
|
|
1.6. Зерновой состав заполнителей [ 54 ]
Зерновой или гранулометрический состав заполнителя характеризуется содержанием внём зёрен различной крупности. Он определяется просеиванием пробы через стандартный набор сит. В результате рассева материал подразделяется на группы по крупности, которые называются фракциями или классами. Размер зёрен определяется размерами двух соседних сит.
Количество заполнителя на сите в процентах от массы пробы называется частным остатком, а сумма остатков на всех вышерасположенных ситах с остатком на данном сите – полным остатком.
1.7. Удельная поверхность заполнителя [ 54 ]
С зерновым составом заполнителя связана его удельная поверхность. Она влияет на расход цемента, который необходим для получения требуемых свойств бетона.
Удельная поверхность заполнителя значительно возрастает с уменьшением размера зёрен. Поэтому ведущая роль в её оценке принадлежит мелкому заполнителю.
Удельная поверхность фракции 10-20 мм составляет 0,4 м2/л; фракции 2,5-5 мм – 1,6 м2/л; фракции 0,3-0,6 мм – 13,33 м2/л. Пылевидные частицы (фракция 0,05-0,15 мм) имеет удельную поверхность 160 м2/л, а глинистые частицы (менее 0,005 мм) – уже 2400 м2/л.
1.8. Прочность заполнителя [ 54 ]
Для заполнителей, которые получаются дроблением скальных пород, прочность на сжатие определяется раздавливанием материала в цилиндре.
После сжатия испытуемую пробу высыпают из цилиндра, взвешивают и просеивают через сито с размерами отверстий, равным d/4 (где d – наименьшая крупность испытуемой фракции). Остаток щебня на сите взвешивают и определяют потерю массы при просеивании, то есть коэффициент дрбимости (DР).
где m – навеска испытуемой пробы щебня, г;
mI – масса остатка на контрольном сите после просеивания раздробленной породы, г.
1.9. Морозостойкость заполнителя [ 54 ]
Морозостойкость заполнителя – это его способность выдерживать в насыщенном водой состоянии многократное попеременное замораживание и оттаивание. Температура замораживания для заполнителя из плотного естественного камня установлена в пределах от минус 17 до минус 25°С, для пористых заполнителей – от минус 15 до минус 20°С. После испытания вычисляют потерю массы заполнителя, величину которой сравнивают со стандартными параметрами.
|
|
|
Аналогично по физическому воздействию, но ускоренное испытание производят переменным насыщением пробы заполнителя раствором сернокислого натрия и высушиванием при температуре 105-110°С.
1.10. Показатели качества заполнителей [ 54 ]
Номенклатура показателей качества заполнителя для бетона включает три критерия: технический уровень, стабильность показателей качества и экономическую эффективность.
По критерию технического уровня основные показатели включают: зерновой состав, содержание пылевидных и глинистых частиц, прочность, среднюю насыпную плотность, минералого-петрографический состав, содержание водорастворимых и сернокислых соединений.
Сравнивая требования отечественных и европейских норм к заполнителям, можно отметить следующее.
1. Согласно европейским нормам испытания заполнителей выполняются реже, однако перечень определяемых свойств шире.
2, В отечественных и европейских нормах существенно различается оценка морозостойкости. В РФ даны 8 марок заполнителя по морозостойкости; в европейских нормах – 5 категорий.
3. Европейскими нормами отмечено отдельное обязательное определение включений известняка.
4. В отечественных стандартах не нормируются требования к заполнителю по морозостойкости в зависимости от характера среды. В европейских нормах требования к заполнителю назначаются в зависимости от суровости климата и условий эксплуатации конструкций.
ТЕХНОЛОГИЯ ПЛОТНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
2.1. Общие принципы получения заполнителей бетонов [ 54 ]
Предприятия строительных материалов, производящие заполнители для бетона, представляют производственный комплекс, который включает добычу сырья в карьере и его переработку на заводе.
Сырьё добывают, применяя экскаваторный способ разработки месторождений или используя средства гидромеханизации (землесосные снаряды).
Проектирование технологии производства заполнителей основывается на результатах технологических испытаний сырья. Они позволяют выбрать схему технологического процесса:
1) число стадий дробления и виды грохочения;
2) типы дробилок и грохотов;
3) способы и оборудование для промывки и очистки материала, его обезвоживание;
4) необходимость операций обогащения по прочности, зерновому составу и форме зёрен;
|
|
|
5) мероприятия по утилизации отходов производства.
Основными классификационными характеристиками добытой для переработки горной массы являются: прочность, однородность, абразивность, гранулометрическая характеристика исходной массы, количество и вид содержащихся загрязняющих примесей.
2.2. Типы перерабатываемых горных пород
Нормы технологического проектирования предприятий нерудных строительных материалов подразделяют перерабатываемые горные породы на 4 типа, выделяя в первом и четвёртом типе две разновидности.
1. Прочные однородные абразивные горные породы. Они включают две подгруппы:
– изверженные (магматические) горные породы (граниты, диориты, сиениты, базальты и другие) с пределом прочности при сжатии до 300 МПа. Породы чистые или незначительно загрязнённые легкопромывистыми включениями;
– метаморфические и абразивные осадочные породы (пески) с прочностью на сжатие до 300 МПа, с большим содержанием мелкой фракции 0-150 (200) мм в исходной горной массе. Загрязнённые легко- и среднепромывистыми включениями.
2. Прочные однородные малоабразивные осадочные породы (известняки, доломиты) с пределом прочности до 200 МПа, незначительно загрязнённые легко- и среднепромывистыми включениями.
3. Неоднородные по прочности малоабразивные горные породы, содержащие слабые разности, загрязнённые средне- и труднопромывистыми включениями.
4. Сырьё для производства песка, гравия и щебня из гравия для строительных работ:
– валунно-гравийно-песчаные и гравийно-песчаные горные породы с содержанием гравия и валунов прочностью на сжатие до 150 МПа – 50% и менее, загрязнённые средне- и труднопромывистыми включениями – до 10-12%;
– валунно-гравийно-песчаные и гравийно-песчаные горные породы с содержанием гравия и валунов прочностью на сжатие до 300 МПа – 50% и более, загрязнённые легкопромывистыми включениями – до 5%.
По характеру производства, использующего определённые типы горных пород, и по основным видам выпускаемых заполнителей различают заводы:
1) щебёночные с экскаваторным способом разработки месторождений горных пород типа 1 – 3;
2) гравийно-щебёночные и гравийно-песчаные как с экскаваторным, так и гидромеханизированным способом добычи горных пород типа 4 – 2 и 4 – 1;
3) песчаные, в основном с гидромеханизированным способом добычи горной массы, содержащей до 10% гравия.
Заводы с экскаваторным способом добычи сырья имеют мощность 0,6-2,8 млн. м3 в год, гидромеханизированные – 0,6-1,2 млн. м3 в год и более при сезонном и круглогодичном режимах работы.
2.3. Технологическая схема производства
Технологическую схему производства выбирают и обосновывают или составляют на основе принципиальных схем, которые разработаны применительно к переработке четырёх типов горных пород.
Выбранная технологическая схема должна быть конкретизирована. На ней необходимо указать:
1) типы дробилок;
2) размеры их разгрузочных щелей;
3) наибольшую крупность продуктов питания и дробления;
4) размеры отверстий сит грохотов.
При этом руководствуются следующими положениями.
1) Дробилки должны быть увязаны по производительности и обеспечивать требуемую мощность. Для щебёночного завода она определяется производительностью дробилки крупного дробления. Это первая стадия
дробления. Для гравийно-песчаного завода она определяется производительностью дробилки мелкого дробления, то есть последней стадией дробления.
2) Дробилки должны быть увязаны по размеру куска в питании и продуктах дробления. Размер кусков, поступающих на дробление, не должен превышать 0,85·В (где В – ширина приёмного отверстия дробилки).
3) Ширину разгрузочной щели дробилки следует принимать наибольшей для получения наименьшего отсева в процессе дробления, но при этом должна быть обеспечена допустимая крупность продукта дробления для питания следующей дробилки.
Для конусных дробилок среднего дробления, работающих в открытом цикле, отношение ширины разгрузочной щели предыдущей дробилки к ширине приёмного отверстия следующей дробилки:
е/В = 0,35-0,55,
где е – ширина разгрузочной щели дробилки;
В – ширина приёмного отверстия дробилки.
4) Крупность материала, отбираемого на предварительное грохочение, рекомендуется принимать:
- для первой стадии дробления – близкой к ширине разгрузочного отверстия дробилки;
- для второй и третьей стадии – равной наибольшей крупности получаемых продуктов.
2.4. Промывка и сушка заполнителя
Важная роль отводится промывке водой зернистых заполнителей (песка, гравия, щебня) для освобождения от загрязняющих глинистых, илистых, пылевидных и других примесей. Эти примеси:
1) ухудшают качество бетона;
2) уменьшают однородность и прочность бетона;
3) препятствуют сцеплению заполнителя с вяжущим веществом.
Поэтому промывку заполнителя часто совмещают с их фракционированием.
После промывки заполнитель обезвоживают:
1) механическим способом, то есть отстаиванием, фильтрацией, отжимом, грохочением, центрифугированием, классификацией;
2) искусственной сушкой в карьерах или на заводах с помощью источников теплоты: газом, инфракрасными лучами, электрическим током высокой частоты и другими.
Введение гидрофобных (водоотталкивающих) поверхностно-активных веществ при промывке способствует соскальзыванию с поверхности частиц водяных капель.
Очищение заполнителей возможно также сухими способами:
1) с помощью вибрационных или барабанных грохотов;
2) пульсирующих обеспыливателей;
3) методом рентгеносепарации и другими.
В зимнее время заполнители не только сушат, но нередко ещё нагревают до определённой температуры. Обычно это осуществляется в одном аппарате – в сушильном барабане, на колосниковой решётке и других. Нагревают заполнители для придания им необходимого качества, например, лучшей смешиваемости с вяжущим веществом.
2.5. Химическая и физико-химическая обработка заполнителей
В процессе подготовки некоторые заполнители подвергают химической и физико-химической обработке с целью:
1) повышения их активности при взаимодействии с другими компонентами бетона;
2) создания более благоприятных условий для производства;
3) повышения плотности и прочности бетона и так далее.
При такой обработке к заполнителям добавляют специальные вещества. Так, при производстве арболита и фибролита в органические заполнители (древесную стружку, древесную дроблёнку, льняную и конопляную костру) вводят минерализаторы. В результате повышается химическая стойкость смешиваемых с заполнителями минеральных вяжущих веществ. При производстве асфальтобетона и дёгтебетона в минеральные заполнители вводят гидрофобизирующие добавки с целью повышения адгезии органического вяжущего вещества к минеральным заполнителям.
2.6. Качественно-количественная схема
На основе принятой технологической схемы рассчитывают качественно-количественную схему с определением следующих показателей:
1) выхода продуктов на отдельных операциях (проценты или доли единицы);
2) выхода конечной продукции (проценты или доли единицы);
3) производительности по исходной горной массе (т/ч или м3/ч).
Исходными данными являются следующие:
1) заданная производительность по готовой продукции;
2) гранулометрический состав исходной горной массы;
3) граничные крупности разделения для операций грохочения (размеры отверстий сит) и классификации;
4) общая эффективность операций грохочения, классификации и промывки;
5) размеры выпускных щелей дробилок, принятых в технологической схеме;
6) характеристика крупности продуктов дробления;
7) средняя насыпная плотность исходного сырья и готовой продукции;
8) расход воды и влажность продуктов операций промывки, классификации, обезвоживания.
Расчёт качественно-количественной схемы основан на выполнении условий материального баланса продуктов, поступающих на операции и выходящих после них. Расчёт следует производить по стадиям дробления с относящимися к ним операциями грохочения.
Последовательные расчёты выходов продуктов на каждой стадии завершаются:
1) определением выходов готовой продукции по технологической схеме;
2) вычислением производительности по исходной горной массе (т/год и м3/год).
2.7. Контроль производства и качества продукции
Организацию и проведение контроля, как правило, возлагают на заводские лаборатории. Они осуществляют входной операционный и приёмный контроль.
Входной контроль следит за качеством сырья, подаваемого на переработку. Оценивается гранулометрический состав, содержание примесей и другие параметры в соответствии с технологическим регламентом данного производства.
Операционный контроль имеет целью:
1) соблюдение на всех переделах установленных режимов и параметров;
2) своевременное выявление отклонений от них для оперативного регулирования технического процесса.
Контролю подлежат:
1) размеры разгрузочных щелей дробилок и сит грохотов;
2) амплитуды колебаний короба грохота и частота вращения вала вибратора;
3) расходы и напор воды на промывку;
4) влажность продуктов переработки;
5) гранулометрический состав;
6) наибольшая и граничная крупность классификации и так далее.
Приёмочный контроль готовой продукции устанавливает её соответствие требованиям государственных стандартов по показателям качества. В лабораториях ежедневно определяют:
1) зерновой состав;
2) содержание пылевидных и глинистых частиц;
3) содержание глины в комках;
4) содержание зёрен слабых пород;
5) содержание дроблёных зёрен в щебне из гравия.
Периодически проверяют:
1) марки по дробимости и истираемости;
2) форму зёрен (содержание пластинчатых и игловатых зёрен);
3) морозостойкость (ускоренным способом);
4) плотность зёрен;
5) среднюю насыпную плотность, пустотность;
6) водопоглощение;
7) минералого-петрографический состав.
Лаборатории предприятий часто выполняют и функции Отдела технического контроля (ОТК). Они контролируют правильность складирования и отгрузки готовой продукции, выполнение условий сохранения её качества. Они отвечают за состояние контрольно-измерительных приборов.
Заводские лаборатории участвуют:
1) в разработке мероприятий по устранению причин, вызывающих брак продукции;
2) в рассмотрении претензий к качеству продукции.
Они подготавливают материалы на аттестацию продукции. Они составляют отчёты по качеству продукции и паспорта на отгружаемую продукцию.
2.8. Перспективы развития отрасли
Сегодня в России производится более 50 миллионов кубометров различных бетонных смесей. Поэтому и заполнителей требуется огромное количество. У нас их используется около 40 млн. м3 в год, причём свыше 50% искусственно созданных.
От свойств, структуры и формы заполнителя, их правильного применения во многом зависит качество бетонных изделий, а, значит, и долговечность, прочность строительных сооружений, безопасность нахождения людей в жилых помещениях.
Добыча природного минерального сырья для заполнителя становится крайне дорогим и убыточным производством. Кстати, за рубежом уже наложили вето на неоправданную разработку недр. В некоторых странах, например, в Англии, Германии, Японии запрещена разработка карьеров для извлечения песка, гравия, щебня. Нехватку в плотных заполнителях они восполняют за счёт переработки техногенных отходов.
Особенно активно и серьёзно используются продукты разрушения старых бетонных и железобетонных конструкций, крупнотоннажные отходы промышленности. Интенсивно вовлекаются в строительную сферу отходы металлургии и энергетики, в частности, шлам. Применение подобного рода заполнителей экономически выгодно. Во-первых, экономятся природные ресурсы; во-вторых, утилизируются отходы промышленности. Это ведёт к уменьшению техногенной нагрузки на окружающую среду, её оздоровление.
В России строительные комплексы более 30 областей не имеют своих собственных плотных заполнителей, в частности, щебня и гравия. В результате сырьё приходится завозить издалека. А это ведёт к удорожанию строительных материалов и конструкций. Себестоимость производства заполнителей достигает порой 50-60% от себестоимости изготовления бетонных и железобетонных конструкций.
Особенно тревожит непродуманное, небрежное использование щебня и гравия из плотных горных пород. Речь идёт о несоблюдении требований стандартов, которые обязывают удалять из заполнителей вредные компоненты и примеси. К ним относятся глинистые минералы, слюда, слоистые силикаты, органические вещества. Ухудшают качество бетонных смесей аморфные разновидности диоксида кремния, серосодержащие породы и минералы, оксиды и гидрооксиды железа.
В странах Запада доля пористых заполнителей, созданных искусственно, составляет около 80% в общем объёме производства заполнителей.
В нашей стране они тоже находят широкое применение. Например, керамзит, который применяется в изготовлении стеновых панелей. В общем объёме выпуска пористых заполнителей он занимает почти 80%. Правда, теплоэнергозатраты на его производство (93 кг условного топлива на 1 м3 заполнителя) довольно высокие.
Учитывая дороговизну энергоносителей, в России сегодня могут успешно и эффективно реализовываться лишь неэнергоёмкие технологии производства искусственных плотных и пористых заполнителей взамен природных.
В нашей стране количество шлаковых расплавов за год увеличивается до 30 млн. т. Из них можно получать 25 млн. м3 высококачественных заполнителей для тяжёлых и мелкозернистых бетонов.
Пока мы не по-хозяйски распоряжаемся отходами чёрной и цветной металлургии, машиностроительных предприятий. Реализуется ежегодно всего 1 млн. т шлакового сырья. Доля пористых заполнителей из отходов и побочных продуктов промышленности составляет немногим более 7%. В основном, это пористые щебень и песок из доменного шлака – так называемая шлаковая пемза. Между тем, по подсчётам специалистов уже сегодня можно получать как минимум 30% таких заполнителей от общей их потребности. Для этого имеются огромные объёмы сырьевых материалов.
|
|
|
