Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состав, технология и свойства строительных материалов на основе шлакощелочных вяжущих
1.1.Предпосылки получения строительных материалов с использованием шлакощелочных вяжущих на основе жидких стёкол из опалового сырья 8
1.2. Ячеистые бетоны на основе шлакощелочных и щелочных алюмосиликатных вяжущих 20
1.3.Цели и задачи исследований 26
Глава 2. Характеристика сырьевых материалов и методика проведения исследований
2.1.Общие сведения об опаловых породах 28
2.2.Характеристика опаловых пород, используемых в исследованиях 29
2.3. Характеристика металлургических шлаков, заполнителей и наполнителей 31
2.4. Методика проведения исследований 35
Глава 3. Изучение свойств шлакощелочных мелкозернистых бетонов с применением жидких стёкол мокрого способа получения
3.1.Изучение процесса гидротермального выщелачивания опаловых пород 40
3.2. Изучение влияния вида щелочного затворителя на прочность прессованных мелкозернистых бетонов 53
3.3.Получение и исследование мелкозернистых бетонов на основе хвостов обогащения титаномагнетитов 61
3.4.Исследования структурообразования шлакощелочных бетонов с применением жидких стёкол из опалового сырья 66 "
Глава 4. Получение и исследование свойств шлакощелочных газобетонов на основе жидких стёкол
4.1.Исследование модифицирующего влияния добавок золы на свойства материала 70
4.2. Исследование влияния концентрации жидкого стекла и добавки диатомита на свойства газобетона 76
Глава 5. Технико-экономическая эффективность применения жидких стёкол мокрого способа получения в технологии шлакощелочных бетонов
5.1.Схема комплексной переработки опалового сырья при производстве шлакощелочных бетонов и рекомендации по внедрению 86
5.2.Оценка технологии производства бетонов на основе разработанной схемы в сравнении с традиционными технологиями 89
Общие выводы 93
Список литературы 95
Приложение 1 104
Приложение 2 105
- Ячеистые бетоны на основе шлакощелочных и щелочных алюмосиликатных вяжущих
- Характеристика металлургических шлаков, заполнителей и наполнителей
- Изучение влияния вида щелочного затворителя на прочность прессованных мелкозернистых бетонов
- Исследование влияния концентрации жидкого стекла и добавки диатомита на свойства газобетона
Введение к работе
Актуальность темы. Расширению масштабов использования шлакошелочных бетонов в значительной степени может способствовать снижение стоимости жидкостекольных затворителей. Одним из перспективных направлений на этом пути является мокрый способ изготовления жидкого стекла, заключающийся в прямом растворении аморфного кремнезёма опаловых пород в щелочных растворах при атмосферном давлении и температуре не выше 95С. Следовательно, исключаются процессы получения силикат-глыбы и её автоклавного растворения, что существенно упрощает и удешевляет технологию шлакошелочных бетонов. Кроме того, в результате взаимодействия глинистых примесей опаловых пород со щёлочью в процессе гидротермальной обработки образуются цеолитоподобные продукты, влияющие на структурообразование шлакошелочных бетонов и улучшающие их эксплуатационные показатели.
Получаемые таким образом суспензии нерастворимого остатка в растворе жидкого стекла могут использоваться сразу как затворители для шлакошелочных бетонов, а могут подвергаться центрифугированию на промышленных центрифугах с получением «чистых» жидких стёкол и сметанообразного цеолитсодержа-щего нерастворимого остатка, удерживающего 40 - 60 % жидкого стекла. Последний может применяться как самостоятельный затворитель, что позволяет комплексно перерабатывать опаловые породы и еще больше удешевить бетоны.
Работа проводилась в соответствии с грантом главы администрации Тюменской области в 2004 г.
Цель и задачи исследований. Целью работы является: разработка жидко-стекольных затворителей из опаловых пород для производства шлакошелочных мелкозернистых бетонов на основе пылеватого песка и хвостов обогащения тита-номагнетитов, и безавтоклавных газобетонов с минеральной добавкой. Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить процесс выщелачивания опаловых пород и фазовый состав продуктов взаимодействия их нерастворимого остатка с раствором щёлочи;
сравнить по вяжущим свойствам жидкие стёкла (суспензии), содержащие нерастворимый остаток, с традиционными затворителями;
изучить модифицирующее в.г':яние нерастворимого остатка жидкого стекла на свойства мелкозернистых бетонов с применением в качестве заполнителей пылеватого песка и хвостов мокрой магнитной сепарации титаномагнетитовых
руд;
изучить влияние минеральной добавки - топливной золы и концентрации метасиликата натрия на свойства неавтоклавных шлакощелочных газобетонов;
разработать составы и технологию шлакощелочных бетонов с использованием жидких стёкол из опаловых пород;
провести исследование свойств предложенных бетонов и оценить технико-экономическую эффективность их ис юльзования.
Научная новизна:
- гидротермальная обработка опаловых пород (трепела Сухоложского и
диатомита Камышловского месторождений Свердловской области) раствором
NaOH способствуют достаточно полному извлечению из них аморфного кремне
зёма в течение одного часа. При этом в суспензии, получаемой из сухоложского
трепела, концентрация кремнезёма составляет 150-160 г/л, а её силикатный мо
дуль равен 1,3 - 1,4. Нерастворимый остаток исходного трепела в процессе выще
лачивания образует цеолитоподобные фазы, которые могут являться кристалли
ческими затравками при формировании структур твердения шлакощелочных бе
тонов;
- с использованием жидких стёкол из опалового сырья могут быть получены
прессованные бетоны (давление прессования 30 МПа) состава 1 : 3, имеющие
плотность 1930 - 1950 кг/м3, прочность при сжатии 45 - 48 МПа, водопоглощение
8,5-10 %, коэффициент размягчения 0,7. При этом увеличение времени термооб
работки трепела более 1 часа неэффективно. По прочности прессованные бетоны
на суспензиях и отделённых нерастворимых остатках превосходят бетоны на
фильтратах, полученных центрифугированием этого жидкого стекла. Это показы-
6
^ вает упрочняющее влияние сформированного в суспензиях цеолитоподобного
продукта;
использование в качестве заполнителя хвостов обогащения титаномагне-титов и виброуплотнения обеспечивает при введении суспензий жидкого стекла получение мелкозернистых шлакощелочных бетонов, имеющих прочность при сжатии 88 МПа, высокую стойкость к истиранию (0,41 г/см2), повышенную жаростойкость;
при получении шлакощелочных газобетонов повышение однородности распределения пор и прочности материала может быть достигнуто введением топливной золы. Синхронизация процессов газовыделения и нарастания прочности бетона-сырца обеспечивается изменением содержания S1O2 в растворе метасили-ката натрия. Оптимальными являются: концентрация SiCb 156 г/л; содержание золы 19 %. Получаемые неавтоклавные шлакощелочные бетоны имеют плотность 400 - 550 кг/м3 и прочность при сжатии 2,6 - 5,6 МПа.
Практическое значение работы:
* - предложена комплексная схема переработки опалового сырья при получе-
нии жидкого стекла по мокрому способу, отцентрифугированные нерастворимые остатки суспензий рекомендовано использовать в технологии прессованных и жаростойких шлакощелочных бетонов. Суспензии предложено применять для получения строительных изделий из жёстких смесей, а жидкие стёкла в виде фильтратов суспензий с требуемым силикатным модулем и концентрацией SiC>2 - при получении шлакощелочных газобетонов;
предложены составы шлакощелочных бетонов. На примере получения тротуарной плитки показана высокая технико-экономическая эффективность, обеспечиваемая заменой портландцемента шлакощелочным вяжущим с использованием жидкостекольных затворителей из опаловых пород;
проведена промышленная апробация предложенных составов и технологии шлакощелочных бетонов на предприятии ООО «Терра», г. Тюмень.
На защиту зыносятся:
результаты исследований процесса гидротермального выщелачивания опаловых пород;
экспериментальные данные по получению мелкозернистых бетонов с применением жидких стёкол мокрого способа получения;
результаты исследования влияния добавок топливной золы и концентрации жидкого стекла на свойства неаВіОклавного шлакощелочного газобетона;
технологическая схема комплексной переработки опаловых пород при получении шлакощелочных мелкозернистых и ячеистых бетонов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: IV и V ежегодных научных конференциях молодых учёных, аспирантов и соискателей ТкжГАСА (2003, 2004); на 61-й научно-технической конференции НГАСУ (Новосибирск, 2004); на VIII академических чтениях отделения строительных наук РААСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (Самара, 2004 г).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6-ти научных работах, в том числе в журналах «Строительные материалы» и «Известия Вузов. Строительство».
Ячеистые бетоны на основе шлакощелочных и щелочных алюмосиликатных вяжущих
Проблема получения конкурен оспособных безавтоклавных ячеистых бетонов с использованием техногенного сырья интересует многих исследователей с момента изобретения самого ячеистого бетона [54]. Решить её позволяет использование дешёвых гидравлических вяжущих и заполнителей, а также замены авто-клавирования пропариванием или естественным твердением.
Разработкой неавтоклавных ячеистых бетонов с использованием металлургических и топливных шлаков и зол, подвергнутых клинкерной и известково-сульфатной активации, занимались сотрудники Московского инженерно-строительного института под руководством А. В. Волженского [55, 56].
Альтернативным решением поставленной задачи явилась разработка в середине прошлого века шлакощелочных вяжущих и, в дальнейшем, пенобетонов на их основе [7, 51 - 56]. Использование высокопрочных шлакощелочных вяжущих позволило существенно удешевить ячеистые бетоны за счёт вовлечения техногенного сырья и исключения энергоёмкой автоклавной обработки. Кроме того, применение этих вяжущих в технологии ячеистых бетонов, учитывая значительный опыт их использования в тяжёлых бетонах, оказывается перспективным по следующим причинам: 1 .Кварцевый песок заменяется шлаками цветной и чёрной металлургии, что снижает энергозатраты при помоле. 2.Щелочные компоненты вяжущего оказывают пластифицирующий эффект снижая количество воды затворения. 3.Ускоренные сроки схватывания позволяют существенно снизить время выдержки сырца перед тепловой обработкой, что даёт значительную экономию производственных площадей. 4.Высокая щелочность компонентов обеспечивает равномерное вспучивание массива в широком диапазоне температур, исключая дополнительный подогрев воды в случае получения газобетона. 5.Использование пропарочных камер непрерывного действия (взамен автоклавов) позволяет полностью автоматизировать и конвейеризовать производство, снизив себестоимость материала. В большинстве публикаций, изученных к настоящему времени, приводится информация о шлакощелочных пенобетонах [7, 10, 57 - 63]. Повышенный инте-рее исследователей к пенобетонам связан со спецификой щелочных компонентов (затворителей), а именно - с их высоким рН. В этой связи получение газобетонов затруднительно вследствие преждевременного газовыделения при перемешивании смесей. Удовлетворительные результаты даёт использование жидких стёкол [64]. В отличие от газобетонов, шлакощелочные пенобетоны удаётся получить с использованием известных щелочных затворителей и традиционных пенообразователей с применением стандартного технологического оборудования [58]. В работе [58] приведены составы, технологические параметры производства и изучались свойства шлакощелочных пенобетонов на основе шлаков цветной и чёрной металлургии (таблица 1.5). Наиболее интенсивный набор пластической прочности характерен для смесей на доменных шлаках, особенно на основном, вследствие повышенного содержания оксида кальция. При уменьшении тонкости помола шлаков снижается общее количество шлаковых частиц и увеличиваются их размеры, что влечёт за собой уменьшение количества «алюмосиликатного клея», вызывающее снижение скорости набора пластической прочности и устойчивости ячеистобетонноЙ смеси. Повышение тонкости помола шлаков выше оптимальной (400 - 450 м2/кг) вызывает резкое загустевание ячеистой смеси, что затрудняет изготовление ячеистого бетона [58]. Ведение в смесь молотого песка с удельной поверхностью 250 м2/кг, снижает рост пластической прочности. Он действует как добавка-разбавитель. Оптимальный расход песка для гранулированного шлака цветной металлургии - 5 мае, %, для гранулированного доменного кислого шлака - 10 мае. %, для основного -20 мае. %. Ниже приводятся характеристики полученных Б. О. Багровым шлакоше-лочных пенобетонов в зависимости от вида тепловой обработки и плотности (таблица 1,6). При автоклаваировании материала образуется более оптимальная структура цементного камня, увеличиваются прочность и морозостойкость по сравнению с образцами, твердевшими в естественных условиях и при пропаривании. В этой связи, основное внимание в работе [58], а также в более ранних работах Б. О. Багрова [59, 60], уделялось шлакощелочным ячеистым бетонам автоклавного твердения. Задача замены автоклавирования пропариванием с одновременным повы шением физико-механических характеристик материала решалась в работах [61, 62]. Использовались пенообразователи ПО-1 и мылонафт. Щелочным компонентом служили жидкие стекла с силикатным модулем m 2. Режим твердения: 3 + 6 + 2 ч при температуре 95С. Плотность бетонов колеблется в пределах 400 - 1200 кг/м при прочности при сжатии 2,0-32,0 МПа. Перспективность применения шлакощелочных вяжущих в технологии неав токлавньгх пенобетонов отмечается также в работе [63]. Наиболее эффектив ными пенообразователями для шлако щелочного (шлакосиликатпого) пенобетона являются окись амина и лаурил сульфат натрия. Кроме того, в состав материала вводились такие минеральные модификаторы как щелочестойкое стекловолокно, зола ТЭС, микрокремнезём. Исследования показали, что эти технологические приёмы позволяют получать безавтоклавный материал, свойства которого представлены в таблице 1.7. Шлакощелочные вяжущие характеризуются более низким (на 10-20 %) коэффициентом теплопроводности относительно портландцементных. Кроме того, отмечается перспективность использования такого бетона, в качестве термостойкого материала для теплоизоляции строительных конструкций, тепловых машин и пр. В работе [65] использовались следующие материалы: - щелочное алюмосиликатное связующее на основе метакаолина, жидкого стекла содержащее добавки NaOH, КОН, микро кремнезём, клинкер; - наполнители - молотый кварцевый песок и низко кальциевые золы-уноса; поробразователь - алюминиевая пудра. Была обоснована целесообразность управления сроками схватывания и соответственно процессом структурообразования следующими способами: введением в состав связующего К20 (наряд) с Na20); подбором оптимальной текучести исходной смеси; ведением добавки-регулятора процессов структурообразования -портландцементого клинкера; выдержкой смеси при определенной температуре. Установлено влияние состава связующего на прочностные свойства и характер пористости материала. В частности, при увеличении содержания в составе смеси щелочных оксидов, увеличивается коэффициент конструктивного качества (ККК) газобетона, а средний размер пор резко уменьшается. На основе этого выбран базовый состав связующего, характеризующийся соотношением оксидов (Na20 + К20)/А1203 = 1,2.
Характеристика металлургических шлаков, заполнителей и наполнителей
Наиболее характерным признаком, определяющим выход жидкого стекла по этой схеме, является содержание в опаловой породе аморфного кремнезёма. Для определения этого показателя в исходных опаловых породах были проведены специальные эксперименты. Смеси с.-става, мае. %: 18,4 - опаловая порода; 24,6 -40 %-ый раствор NaOH; 57,0 - вода, подвергались нагреванию в закрытых сосудах. Варьировалась продолжительность термообработки и температура предварительного обжига сырья с целью изучения влияния этих факторов на основные показатели жидкой фазы полученной суспензии - модуль и конечную концентрацию Si02. Результаты испытаний приведены в таблице 3.1.
Количество аморфного кремнезёма, перешедшего в раствор через 32 часа выщелачивания, определялось по данным химического анализа (таблица 2.3). Из данных таблицы 3.1 следует, что термообработка сухоложского трепела увеличивает содержание аморфного Si02 и силикатный модуль соответственно на 7 и 11 % по сравнению с природным трепелом.
Содержание аморфного кремнезёма в камышловском диатомите почти вдвое ниже, чем в трепеле (см. составы № 1 и 3, табл. 3.1). Следовательно, несмотря на то, что общее количество Si02 в сравниваемых породах почти одинаковое, диатомит в своём составе содержит большее количество устойчивых соединений.
Сравнивая силикатный модуль и концентрацию SiC в полученных суспензиях можно констатировать, что онк. незначительно зависят от времени термообработки в интервале от 1 до 32 часов. В целом, учитывая невысокую точность используемой методики анализа жидкого стекла (ошибка лежит в пределах 10 % [85]), можно считать, что весь аморфный кремнезём опаловых пород переходит в раствор в течение первого часа выщелачивания.
Но в рассматриваемой системе протекает не только процесс выщелачивания с образованием растворимого силиката натрия. Как показывают исследования [8, 21, 22], глинистые минералы и гидрослюды, сопутствующие опаловому сырью, способны вступать в реакцию со щёлочью и образовывать в растворе жидкого стекла различные щелочные гидроалюмосиликаты типа цеолитов.
Подробные сведения по синтезу цеолитов из каолина и метакаолинита путём их обработки растворами щелочей приводятся Д. Бреком [21] и Г. И. Овча-ренко [22]. Помимо каолинита, исходным сырьём для синтеза цеолитов может служить и монтмориллонит, табл. 3.2, а также другие глинистые минералы [22].
В.Д. Глухоьским показано, что продуктом твердения щелочных цементов на основе монтмориллонита и NaOH в условиях пропаривания является синтетический натролит состава: КагО-АЬОз-ЗЗЮгпНгО. В условиях тепловлажностной обработки каолинита гидроксидом натрия в продуктах гидратации вяжущего образуется нефелин-гидрат — цео лито подобный синтетический продукт состава а20 АІ20у2${02їйІ20. При взаимодействии кремнезёма в присутствии монтмориллонита, гидрослюды и палыгорскита с гидроксидом или карбонатом натрия в условиях автоклавной обработки (0,8 МПа) в продуктах твердения синтезируется анальцим - Na20-Al203-4Si02TiH20 [4, 6 - 8].
Таким образом, есть основания полагать, что в условиях получения жидких стёкол по мокрому способу структура гидрослюд и глинистых соединений нерастворимого остатка может подвергаться перестройке с образованием синтетических цеолитов типа гидрата нефелина, а также некоторых метастабильных соединений алюмосиликатного состава. Синтезу этих новообразований может также способствовать кремнезём, переходящий в раствор при выщелачивании.
Образовавшиеся в суспензии гидратированные алюмосиликаты в составе шлакощелочных бетонов могут оказывать влияние на дальнейшие процессы твердения композитов, улучшая их строительно-технические свойства. Фазовый состав продуктов гидратации шлакощелочных вяжущих изучен достаточно хорошо [6, 8]. Наряду с низкоосновными гидросиликатами при этом возникают как щелочные, так и щелочно-щелочноземельные гидратированные алюмосиликаты. По-следние связывают свободную щёлочь и вносят значительный вклад в увеличение прочности шлакощелочных бетонов [6].
Сформированные в суспензии цеолитоподобные новообразования, подобные по своей природе гелевидной фазе твердеющего шлакощелочного вяжущего, в составе шлакощелочных бетонов являются эффективными добавками, выполняющими функцию кристаллической затравки. Это позволяет целенаправленно управлять процессами структурообразования композитов, улучшая их строительно-технические свойства [22, 35].
Продукты гидротермального выщелачивания сухоложского трепела в виде отмытого остатка суспензии после её центрифугирования изучались с помощью рентгенофазового анализа. Анализировалась суспензия состава № 1 (таблица 3.1) после 4-часовоЙ гидротермальной обработки.
Дифрактограмма природного трепела (рисунок 3.1 (а)) отражает лишь присутствие в нём кварца (линии 0,333; 0,426; 0,246; 0,182 нм) и гидрослюды (линии 0,443; 0,254 нм). Однако, согласно химическому составу (таблица 2.3), исходный трепел содержит около 10 % А120з. Такое количество А1203 не может входить в состав одних лишь гидрослюд, так как содержание щелочных оксидов в породе относительно мало. В этой связи можно предположить, что значительная часть трепела представлена аморфизованной скрыто кристаллической глинистой составляющей (каолинитом, монтмориллонитом, иллитом и т.п.), которая может принять участие в образовании в суспензиях цеолитоподобных продуктов.
На дифрактограмме рисунка 3.1 (б) ясно видно появление новых рефлексов (линии 0,429; 0,414; 0,251; 0,246; 0,175 нм), что подтверждает перестройку структуры нерастворимого остатка исходного трепела в процессе выщелачивания. Наиболее характерной образующейся при этом фазой является нефелин-гидрат (линии 0,414; 0,251; 0,175 нм). Это хорошо согласуется с данными Смита и Татт-ла, синтезировавшими нефелин-гидрат при 25С [105, 106].
Изучение влияния вида щелочного затворителя на прочность прессованных мелкозернистых бетонов
В данном разделе сопоставляются жидкие стёкла мокрого способа получения с традиционными щелочными затворителями на примере получения прессованных мелкозернистых бетонов. Перед изучением свойств бетонов исследова-лись основные характеристики применявшихся вяжущих.
Расход жидкостекольного затворителя во всех составах подбирался так, чтобы количество ЫагО в вяжущем составляло 5 % от массы шлака. Предварительные исследования [14] показали, что этого количества достаточно для протекания процессов твердения и достижения определённой прочности вяжущим, несмотря на то, что научной школой В.Д. Глуховского рекомендовано вводить 6 -10 % Na20 в составе щелочного затворителя [1, 6 - 10]. Затворителями вяжущих служили суспензия 4-х часовой гидротермальной обработки (см. таблицу 3.1) и полученные путём её центрифугирования фильтрат и сметанообразный нерастворимый остаток. Все затворителя вводились в эквивалентных количествах. Состав и основные свойства полученных вяжущих приведены в таблице 3.4.
Из данных таблицы 3.4 видно что наименьшей водопотребностью облада-ч ют вяжущие на основе фильтратов суспензий. Нормальная густота вяжущего на суспензиях природного и прокалённого трепела составляет 28 %. Увеличение содержания глинистых фракций в вяжущем на основе нерастворимых остатков повышает значение нормальной густоты до 32 % и требует дополнительного введения воды.
Органические примеси в жидких стёклах на основе суспензий природного трепела существенно замедляют схватывание вяжущего. Начало схватывания вяжущих с применением суспензий, фильтратов и нерастворимого остатка полученных из прокалённых опаловых порог наступает в 2 раза быстрее по сравнению с аналогичными составами на природном трепеле (см. соответственно составы 2 и 1, 4 и 3, 6 и 5, таблица 3,4). Однако, как показывают данные таблицы 3,4, активность вяжущих не зависит от вида исходного трепела.
В качестве заполнителей прессованных бетонов использовались: тюменский пылеватый песок, доменный гранулированный шлак фракции 0 - 5 мм и хвосты обогащения титаномагнетитов. Алюмосиликата ой составляющей вяжущего служили шлаки № 1 и 2, размолотые с помощью шаровой мельницы. Соотношение вяжущее : заполнитель во всех составах составляло 1:3, Изучались сырцовая прочность, конечная прочность nocj.j пропаривания, водопоглощение и коэффициент размягчения (таблица 3.5). Расход щелочного компонента во всех составах подбирался так, чтобы количество ЫагО в вяжущем составляло 5 % от массы шлака, а влажность пресс-порошков равнялась 8 - 9 % по массе.
Из данных таблицы 3.5 (составы 1 и 2) видно, что шлак № 2 является более активным, так как по конечной прочности образцы на его основе превосходят аналогичные образцы на шлаке № 1 на 10 %, несмотря на то, что последний имеет более высокие показатели Мо и МА (таблица 2.3). Следует отметить недостаточную изученность механизма влияния химического и минерального состава ДГШ на активность шлакощелочных вяжущих [6]. По-видимому, большое значение имеет степень закристаллизованное ДГШ и наличие зародышей кристаллической фазы, которые затруднительно идентифицировать с помощью известных методов рентгенофазового анализа.
Все дальнейшие исследования велись с использованием шлака № 2. Сравнивая свойства образцов на пылеватом песке, можно отметить, что введение суспензии увеличивает не только сырцовую прочность, имеющую большое значение при прессовании, но и позволяет получать композиты, превосходящие по конечной прочности образцы на NaOH, соде и не уступающие образцам на искусственно приготовленном метасиликате натрия (при одинаковой концентрации S1O2).
Увеличение сырцовой прочности связано с содержанием в суспензии нерастворимых глинистых фракций, которые по данным [48] существенно повышают сырцовую прочность материалов, изготавливаемых по технологии силикатного кирпича. Пониженная плотность образцов на суспензии объясняется, по-видимому, высокой микропористостью нерастворимого остатка.
Замена пылеватого песка шлаковым позволяет несколько снизить плотность материала, однако прочность при этом заметно снижается. Это связано с большей пустотностью шлака (таблица 2.4), что требует соответственно большего количества шлакощелочного теста для омоноличивания частиц, а также с его повышенной хрупкостью и микропористостью. Кроме того, в используемом пылеватом песке содержится значительное количество глинистых примесей, играющих в шлакощелочных бетонах роль дополнительного вяжущего [6, 7, 8].
Применение в качестве заполнителя хвостов обогащения титаномагнетитов (таблица 3.5, состав № 7) позволяет получить композит на основе суспензии с конечной прочностью 51,8 МПа. Повышенная прочность может объясняться несколькими причинами: оптимальным зерновым составом и пустотностью отхода, повышенной адгезией к шлакощелочному камню, активизацией поверхности зёрен отхода щёлочью. Факт увеличения адгезии при использовании хвостов обогащения титаномагнетитов подтверждается дополнительной экспериментальной проверкой. Замена отхода обогащения Вольским песком с примерно одинаковым зерновым составом приводит к снижению прочности примерно на 25 % (см. составы № 7 и 8, таблица 3.5).
Полученные результаты показали убедительное превосходство суспензий по сравнению с традиционными затворителями шлакощелочных бетонов. Дальнейшие исследования были направлены на более глубокое изучение вяжущих свойств суспензий в зависимости от времени их термообработки и от вида применяемой опаловой породы (природная или прокалённая).
Исследование влияния концентрации жидкого стекла и добавки диатомита на свойства газобетона
Мокрый способ получения жидкого стекла позволяет получать сразу несколько видов щелочных затворител й. При этом производство может быть сориентировано не только на технологию шлакощелочных бетонов, но и на выпуск жидких стёкол для разных отраслей народного хозяйства. Поэтому разработанные приёмы получения шлакощелочных бетонов могут являться как основными потребителями жидкого стекла (в виде суспензий и их фильтратов), так и способствовать утилизации побочных продуктов производства - отцентри фугированных нерастворимых остатков. Это позволяет создать безотходную технологию комплексной переработки опалового сырья при производстве жидкого стекла мокрым способом. Таким образом, большие запасы опаловых пород, широко распространённых в различнчх регионах стран;", являются важным сырьём, считавшимся до настоящего времени некондиционным.
Ниже рассмотрена технологическая схема получения жидких стёкол мокрым способом, учитывающая различные варианты их применения (рисунок 5.1.). В этой схеме техническая щёлочь может частично или полностью заменяться (после соответствующей апробации) различными щелочесодержащими отходами, способствующими ещё большему удешевлению продукции.
Исходная опаловая порода, поступающая с карьера, подвергается дроблению. В дальнейшем, в зависимости от требуемых качеств конечного продукта, может применяться либо обжиг породы, с целью удаления органических примесей, с последующим помолом, либо порода может сразу подвергаться мокрому помолу (в этом случае получится окрашенное жидкое стекло). Дальнейшие операции соответствуют схеме на рисунка 5.1.
Предприятие по производству шлакощелочных бетонов должно быть оснащено оборудованием для сушки и помола доменного гранулированного шлака. Линия подготовки опаловой породы должна включать оборудование для её дробления и мокрого помола. Раствор щелочного компонента для приготовления жидкого стекла хранится в закрытых резервуарах с соблюдением соответствующих требований безопасности.
Щелочной компонент и опаловая порода в виде шлама перекачиваются насосами-дозаторами в реактор с принудительным перемешиванием, оснащённый паровой рубашкой. Полученный жидкостекольный затворитель, шлак и заполнитель дозируются в бетоносмеситель. Дальнейшие операции соответствуют технологии традиционных бетонов.
На тюменском предприятии ООО «Терра» (специализирующемся на выпуске ячеистого бетона и тротуарной плитки) была изготовлена опытная партия бетонной тротуарной однослойной плитки с применением шлакощелочного вяжущего на основе суспензии сухоложского трепела и хвостов обогащения титано-магнетитов Качканарского ГОКа. Использовался доменный гранулированный шлак Челябинского МК, размолотый в лабораторной вибрационной мельнице (удельная поверхность 290 м /кг).
Для приготовления суспензии трепел подвергался мокрому помолу в вибрационной мельнице. Гидротермальная обработка суспензии велась в водогрейном аппарате авторемонтного цеха (объём аппарата 1,2 м ), куда дозировались раствор сорокапроцентного технического натра марки РД (по ГОСТ 2263 - 79), трепель-ный шлам и вода (состав суспензии см. в таблица 3.1). Продолжительность гидротермальной обработки составляла I час при температуре 95С. Свойства суспензии: силикатный модуль 1,37, концентрация S1O2 160 г/л.
Расход компонентов для получения мелкозернистого бетона состава 1 : 3 принимался на основании лабораторных данных по получению образцов-балочек с применением хвостов обогащения титаномагнетитов (см. таблица 3.9). Состав бетона, кг/м3; шлак - 630; «хвосты» - 1760; суспензия - 260.
Приготовление бетонной смеси и формование велись на линии по производству вибропрессованных изделий германской фирмы Shlosser Pfeiffer. Тепло-влажностная обработка изделий велась по режиму 3 + 6 + 3 ч. при 80С.
Были получены изделия - бетонная тротуарная однослойная плитка с раз-мерами 15х 15x5 см в количестве 10200 шт. (230 м ), см. приложение 2. Материал имеет следующие показатели:
Применение жидких стёкол мокрого способа получения в технологии шла-кощелочных бетонов несомненно способствует их удешевлению. Особенно перспективны в этом плане суспензии и их отделённые нерастворимые остатки, так как первые исключают операцию центрифугирования, а вторые являются попросту отходами производства жидкого стекла.
Сам процесс получения жидких стёкол мокрым способом является гораздо менее материало- и энергоёмким, по "равнению с традиционным сухим способом, в связи с отсутствием процессов получения силикат-глыбы и её растворения. В результате снижаются капиталовложения в производство и сроки их окупаемости, а себестоимость продукции снижается вдвое [12].
Кроме того, в традиционной технологии сырьём является кварцевый песок с максимально высоким содержанием Si02. Месторождения таких песков встречаются редко и истощаются, в связи с чем встают вопросы об альтернативных технологиях получения жидких стёкол.
Предложенная в работе схема отличается простотой разнообразием выпускаемых продуктов. Гибкость технологии позволяет производителю выбрать наиболее рациональный и экономически выгодный вариант в определённой ситуации. Ещё более удешевить технологию позволяет частичная или полная замена самого дорогостоящего компонента — едкой щёлочи на щелочные отходы различных отраслей промышленности.
Технология шлакощелочных б. гонов на основе жидких стёкол мокрого способа получения позволяет получать бетоны с применением только побочных продуктов - доменных гранулированных шлаков и отцентрифугированных нерастворимых остатков, что максимально удешевляет производство. Особенно эффективно использование нерастворимых остатков в производстве прессованных мелкоштучных материалов - пустотелого кирпича и камней.
Наиболее наглядно экономическое преимущество мелкозернистых бетонов с применением шлакощелочных вяжущих на основе суспензии природного трепела и хвостов обогащения титаномагнетитов продемонстрировано на примере получения тротуарной плитки по вибр прессовой технологии. Сравнение велось с традиционной технологией, используемой на тюменском предприятии ООО «Тер-ра». В настоящее время для изготовления тротуарной плитки применяется портландцемент марки 500 ДО, средняя прочность бетона при этом составляет 45,0 МПа, марка по морозостойкости F250. Если учесть, что затраты на покупку заполнителя, а также прочие производственные затраты (пропарка, транспортные расходы и т.п.) примерно равны, то наиболее целесообразно рассчитать и сравнить расходы на вяжущее - как наиболее дорогостоящий компонент бетонов.
