Строительные материалы

Стройматериалы из отходов

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Материалы с применением горелых пород. Возможности применения горелых пород в производстве строительных материалов весьма разнообразны. Они находят широкое применение в дорожном строительстве преимущественно при устройстве оснований. В Донбассе, например, горелые породы используются при устройстве нижнего слоя двухслойных оснований под асфальтобетонные покрытия. При этом конструкция дорожной одежды следующая: асфальтобетонное покрытие — 4—9 см, щебеночное или шлаковое основание — 12—20, подстилающий слой из горелой породы — 10—18 см. К горелым породам как материалу для оснований дорог предъявляются следующие требования: плотность в куске — не менее 2 г/см3, водопоглощение — не более 5%, износ в полочном барабане — не более 35%, содержание пылевидных частиц — не более 3%.

При удовлетворительных физико-механических свойствах горелые породы используют не только для нижних, но и для верхних слоев оснований, а также нижнего слоя покрытия.

Наиболее эффективно используется горелая порода после обработки органическим вяжущим.

Горелые породы, как и другие обожженные глинистые материалы, обладают активностью по отношению к извести и используются как гидравлические добавки в вяжущих известково-пуццоланового типа, портландцементе, пуццолановом портландцементе и автоклавных материалах. Высокая адсорбционная активность и сцепление с органическими вяжущими позволяют применять их в асфальтовых и полимерных композициях. Естественно обжигаемые в недрах земли или в терриконах угольных шахт горелые породы — аргиллиты, алевролиты и песчаники — имеют керамическую природу и могут применяться в производстве жаростойких бетонов и пористых заполнителей. Некоторые горелые породы имеют пониженную среднюю плотность, что позволяет использовать их в качестве заполнителей для легких растворов и бетонов.

Горелые породы содержат активный глинозем в виде радикалов дегидратированных глинистых минералов, а также активные кремнезем и железистые соединения. В отличие от шлаков и зол, они почти не содержат стекловидных компонентов. Дегидратация каолинита и других гидроалюмосиликатов, присутствующих в глинах, приводит к образованию продуктов, интенсивно взаимодействующих с гидрокси-дом кальция.

Активность дегидратированных глинистых минералов зависит от строения кристаллической решетки и убывает от каолинита к гидрослюдам. Для горелых пород, как и других силикатно-алюминатных материалов, она не полностью выражается поглощением оксида кальция. Наряду с гидравлической активностью, характеризуемой поглощением извести, горелые породы характеризуют величиной адсорбционной активности.

Максимальную активность имеют породы, обожженные при 500—600 °С, повышение температуры до 800— 1000 °С ее резко снижает. Повышению активности горелых пород способствуют микропоры и микротрещины. Высокая адсорбционная активность и адгезия к высокомолекулярным соединениям позволяют отнести горелые породы к лучшим наполнителям в асфальтовых вяжущих, бетонах и полимерминеральных составах. Композиции с активными наполнителями имеют высокие физико-механические свойства при незначительных расходах полимеров.

В зависимости от модуля М горелые породы делят на четыре группы активности

Горелые породы применяют в качестве активных минеральных добавок для известково-глинитных и сульфатно-глинитных вяжущих.

Известково-глинистые вяжущие содержат 10—30% извести в зависимости от активности горелой породы и до 5% гипса. Для обеспечения достаточной воздухостойкости применяют породы с содержанием А1203 не менее 14%, а содержание извести повышают до 50%. По прочности на сжатие известково-глинитные вяжущие обычно соответствуют маркам М50 и М100. При нормальной температуре их прочность растет медленно, увеличиваясь к 2-месячному возрасту в 1,3— 2 раза, к 3-месячному — в 2—3 раза по сравнению с 28-суточной. При пропаривании прочность увеличивается по отношению к 28-суточно-му возрасту в 1,5—3 раза, при обработке паром под давлением 0,8 МПа - в 4-5.

Сулъфатно-глинитные вяжущие — это композиции из двуводного гипса (50—65%), горелой породы (15—40%) и активизатора — порт-ландцементного клинкера (10—20%). Безобжиговые сульфатно-гли-нитные вяжущие относятся к группе гидравлических вяжущих веществ, твердение которых обусловлено химическим взаимодействием гипсового камня, портландцементного клинкера и горелой породы, а также процессами перекристаллизации двуводного гипса. При воздушном твердении прочность этих вяжущих невелика и достигает при испытании образцов из теста нормальной густоты 5—7 МПа, причем к 60 суткам ее нарастание прекращается. Во влажных условиях наблюдается длительный и сравнительно интенсивный рост прочности, достигающей к 28-суточному возрасту 20 МПа, а к годичному— примерно 40 МПа. Прочность вяжущих сульфатно-глинитного типа также повышает тепловлажностная обработка. Прогрев при температуре более 100 °С, приводящий к дегидратации двуводного гипса, нежелателен.

Накоплен положительный опыт применения широко распространенной разновидности горелых пород — глиежей — как гидравлических добавок к портландцементу и пуццолановому портландцементу. Минимальная активность по поглощению извести глиежами, вводимыми в цементы, составляет 30 мг СаО на 1 г добавки. Реакционная способность добавок возрастает по мере повышения их дисперсности. Как и золы, глиежи вводятся в пуццолановый портландцемент в количестве 35—55%. Однако они в меньшей степени, чем другие добавки осадочного происхождения, увеличивают водопотребность цемента и соответственно водопотребность бетонных смесей, деформации усадки и набухания бетона.

Сульфатостойкость глиеж-цементов зависит не только от минералогического состава клинкера, но и от содержания растворимого глинозема в добавке, взаимодействующего с гидроксидом кальция при твердении цемента и образующего дополнительное количество гидроалюмината. Количество растворимого глинозема определяется его выщелачиванием 6%-ным раствором соляной кислоты. Содержание растворимого А1203 в сульфатостойком пуццолановом портландцементе не должно превышать 2%. Растворимость глинозема в глиежах и других обожженных глинах снижается с повышением температуры их обжига до 1000 °С.

Горелые породы и вяжущие на их основе отличаются высокими жароупорными свойствами и могут применяться при получении жаростойких бетонов. Однако широкое использование горелых пород затрудняется их неоднородностью, в них может содержаться некоторое количество (до 2—3%) несгоревшего топлива.

В бетонах и растворах горелые породы могут служить не только активными минеральными добавками в составе вяжущих, но и выполнять функции заполнителей. На их основе эффективно изготавливать кладочные растворы, особенно для возведения фундаментов в агрессивных средах, и мелкозернистые легкие автоклавные бетону с пределом прочности на сжатие до 2—5 МПа и средней плотностью до 1800 кг/м3.

При использовании горелых пород как песков для растворов и бетонов гидротермального твердения особенно ярко проявляется их физико-химическая активность, что повышает прочность материалов.

Материалы с применением отходов добычи и обогащения угля. Отходы добычи и обогащения угля используются в основном в производстве стеновых керамических материалов и пористых заполнителей. По химическому составу они близки к традиционному глинистому сырью. Как вредная примесь в них присутствует сера, содержащаяся в сульфатных и сульфидных соединениях.

При содержании А1203 в минеральной части отходов более 15% и содержании углерода менее 15% отходы можно применять в качестве сырья для получения керамических стеновых изделий марок М75—М300 без добавок глины. При содержании А1203 и углерода более 15% в сырьевую смесь добавляют пГину. При содержании А1203 в отходах менее 15% и углерода более 15% они непригодны в качестве основного сырья и могут быть использованы как отощающая и топливосодержа-щая добавка в глиняную шихту.

В производстве стеновых керамических изделий на базе каолини-товых и гидрослюдистых глин, суглинков и глинистых сланцев отходы добычи и обогащения угля применяют как отощающую и выгорающую топливосодержащую добавку. До введения в керамическую шихту кусковые отходы измельчают. Помол отходов производят в молотковых дробилках, шаровых или других мельницах. Для шлама с размером частиц менее 1 мм предварительное дробление не требуется, его подсушивают до влажности 5—6%. При получении кирпича пластическим способом добавка отходов составляет 10—30%.

Введение углесодержащих пород до определенного предела может увеличивать связующую способность керамической шихты и особенно сопротивление сжимающим усилиям. При сравнительно высоком содержании этих пород в шихте (до 20—30%) резко снижается связующая способность глинистого сырья. Облегчение условий миграции влаги повышает сушильные свойства сырца. Введение оптимального количества топливосодержащей добавки в результате более равномерного обжига улучшает прочностные показатели изделий (до 30—40%), экономит топливо (до 30%), а также исключает необходимость введения в шихту каменного угля и повышает производительность печей.

Лучшими добавками в керамические массы являются отходы обогащения антрацитовых углей. Отходы добычи углей, так называемые шахтные породы, отличаются большой нестабильностью вещественного состава. В составе шахтных пород в большом количестве могут присутствовать песчаники и известняки. Поэтому перед их выбором необходимо тщательно изучить горногеологические условия добычи угля в данном районе. Использование шахтных пород оправдано в тех случаях, когда в районе предприятия нет других топливных добавок и возможна доставка отходов на завод.

Если в качестве основного керамического сырья используются аргиллиты, алевролиты или другие породы, изделия из которых после обжига имеют неудовлетворительную структуру, неморозостойки и обладают неудовлетворительными теплоизоляционными свойствами, то углесодержащие отходы применяют в качестве поризующих и ото-щающих добавок, которые вводятся в шихту в количеств? 30—40%. Для этой цели эффективны породы с максимальным количеством выгорающей части и большим содержанием летучих, которые в процессе обжига не участвуют, так как удаляются с дымовыми газами раньше температуры их воспламенения. Продуктивными добавками к такому керамическому сырью могут служить также отходы флотационного обогащения газовых углей. Для точной дозировки их предварительно гранулируют, пропуская через глиномешалку с фильтрующей головкой, а затем полученные гранулы вводят в шихту через ящичный подаватель по общепринятой технологии.

При применении тощих гидрослюдистых, гидрослюдисто-монтмо-риллонитовых и лессовидных суглинков углесодержащие отходы могут служить в качестве топливно-минеральной добавки, улучшающей керамико-технологические свойства смеси и существенно повышающей прочностные характеристики готовых изделий. Для этого выбирают породы с меньшей степенью метаморфизации, дающие при помоле и затворении водой пластичное тесто с числом пластичности более 10, содержание оксида алюминия должно составлять в принятом к использованию сырье не менее 20—25%. Искусственную смесь выбирают такого состава, чтобы суммарное содержание А1203 было не менее 15%. Помол углесодержащих отходов в этом случае ведут до получения более мелкой фракции (< 1 мм).

Большое количество горючих веществ содержат отходы флотации. В отходах обогащения жирных длиннопламенных газовых углей присутствует много летучих веществ, поэтому при их применении необходимо учитывать возможность выделения значительного количества газов, что может привести к разрыхлению изделий. Меньшую калорийность имеют отходы добычи угля, а также углеобогащения крупных фракций (40—100 мм).

Эффективными добавками в керамическую массу могут служить отходы флотации, не нуждающиеся в измельчении. Однако они поставляются потребителям влажностью более 25%, превышающей формовочную влажность шихты. Влажные отходы флотационного обогащения комку-ются, что затрудняет введение их в шихту и гомогенизацию смеси.

Шламы углеобогащения сравнительно высокой теплотворной способности (18 900—21 000 кДж/кг) применяют в качестве технологического топлива. Они не требуют дополнительного дробления, хорошо распределяются по садке и засыпаются через топливные отверстия, что способствует равномерному обжигу изделий.

Углесодержащие породы применяют не только как топливосодер-жащую добавку, но и как основной компонент керамической шихты. Установлена возможность производства пустотелого кирпича и керамических камней на основе отходов углеобогащения как пластическим, так и полусухим формованием.

Из всех видов отходов угольной промышленности отходы углеобогащения наиболее стабильны по составу. Они содержат больше глинозема, чем большинство других рядовых глин. Глинистое вещество в них представлено высокоглиноземистыми минералами — каолинитом и гидрослюдами. Содержание углерода в этих породах в несколько раз превышает требуемое для обжига стеновой керамики. После тонкого измельчения отходы углеобогащения по своим свойствам идентичны глинам, малочувствительным к сушке.

Технологическая схема производства стеновых изделий из отходов углеобогащения методом пластического формования предусматривает следующие этапы: помол исходной породы в мельнице сухого измельчения; формование сырца на ленточном вакуумном прессе; сушку его в щелевой однорядной сушилке или сушилке с реверсивным движением теплоносителя; обжиг в туннельной печи по режиму, обеспечивающему изотермическую выдержку и окислительную среду при максимальной скорости выгорания коксового остатка.

Жесткое прессование при давлении 2,2—4,5 МПа имеет ряд преимуществ по сравнению с пластичным, так как прочность получаемого сырца позволяет укладывать его сразу на обжиговую вагонетку в несколько рядов, исключает ряд технологических операций, а следовательно, уменьшает количество машин и агрегатов в технологической линии, повышая надежность работы и коэффициент ее полезного действия. Необходимая формуемость при жестком прессовании достигается благодаря высокому давлению, при котором сокращается потребность в воде для затворения, и повышенной температуре бруса (до 60 °С), способствующей быстрому высушиванию отформованного сырца. При этом усадка и чувствительность к сушке вследствие пониженной влажности отформованного сырца и повышенной степени уплотнения оказываются ниже, чем у сырца, полученного при пластичном способе прессования. При жестком прессовании для достижения необходимых прочности и окраски изделий требуется пониженная на 50—80 °С температура обжига.

При производстве керамических стеновых изделий замена глинистых пород, добываемых в карьерах, переработанными отходами углеобогащения приводит к снижению расхода технологического топлива примерно на 80% и себестоимости изделий на 19—28%.

Углесодержащие породы являются эффективным сырьем для производства пористых заполнителей. Однако значительные колебания по содержанию топлива (5—25%) и его дисперсное распределение в породе, низкая пластичность и связующая способность, неоднородность химического и минерального составов затрудняют переработку этого вида сырья по существующим технологическим схемам для природных глин без дополнительной корректировки.

Анализ технологических методов производства искусственных пористых заполнителей из топливосодержащих отходов добычи и обогащения углей свидетельствует о том, что наиболее эффективным является метод агломерации. Помимо простоты технологии он дает возможность эффективно использовать содержащееся в отходах топливо. Сущность процесса агломерации заключается в том, что топливо в спекаемой шихте горит в тонком горизонтальном слое, в результате чего воздух, поступающий в зону горения, нагревается и интенсифицирует процесс горения топлива шихты, а горячие газы, выходящие из зоны горения, подсушивают и нагревают следующий слой шихты. После выгорания топлива зона горения перемещается в лежащий ниже слой шихты.

При получении из порошкообразного и мелкозернистого сырья методом агломерации ( 3.9) пористого и прочного конгломерата исходное сырье смешивают с измельченным топливом, увлажняют и окомковывают (гранулируют). Затем шихту, состоящую из отдельных зерен (гранул), непрерывно подают на верхнюю рабочую ветвь ленточной конвейерной агломерационной машины. На первом участке непрерывно движущейся ленты в верхнем слое шихты зажигают топливо, после чего зона горения продвигается в толщу шихты за счет просасывания через нее воздуха. В конце рабочей ветви машины получают готовый обожженный продукт.

Отходы углеобогащения как сырье считаются пригодными для производства аглопорита, если в результате испытаний в лабораторных условиях будут достигнуты следующие показатели процесса спекания и качества готового продукта.

Для обеспечения нормального спекания шихты в отходах добычи и обогащения углей должно содержаться около 10% топлива (в расчете на условное). В процессе агломерации вредные примеси в исходном сырье, например сера, даже при обеспечении оптимальных условий термообработки переходят в аглопорит в количестве не менее 14-г 15% первоначального содержания. На остаточное содержание серы в готовом продукте влияет присутствие в исходном сырье оксидов щелочноземельных металлов, в частности СаО.

При агломерации отходов с высоким содержанием топлива необходимо создавать соответствующие условия для его выгорания. Процесс выгорания топлива при агломерации легкоплавких силикатных материалов затруднен из-за образования при спекании значительного количества расплава. Только определенное соотношение в шихте тугоплавких и легкоплавких компонентов обеспечивает нормальный режим ее термообработки.

Не менее важным фактором, обеспечивающим нормальный ход процесса выгорания топлива в шихте, является газопроницаемость спекаемого слоя, предопределяемая пластичностью и связующей способностью исходного сырья. На основе умеренно пластичных пород при определенном соотношении фракций исходного сырья (менее 0,3; 0,3—1,2; 1,2—2,5 мм) могут быть получены достаточно высокие значения газопроницаемости слоя. Для улучшения гранулирующей способности непластичных и малопластичных пород целесообразно вводить в шихту пластичный суглинок в количестве 5—20% по массе.

На основе отходов углеобогащения получают в основном аглопо-ритовый щебень с насыпной плотностью 400—700 кг/м3 и аглопори-товый песок с насыпной плотностью 800—1000 кг/м3.

Одним из критериев, характеризующих пригодность силикатного сырья для производства аглопорита, является модуль плавкости, значение которого для топливосодержащего сырья, пригодного для производства аглопорита, должно составлять 4—20.

Предварительная обработка сырья (декарбонизация) производится в специальном аппарате, который в зависимости от начального содержания углерода может быть либо вращающимся барабаном, либо реактором кипящего слоя. Процесс декарбонизации протекает при 800— 900 °С. Полученный полуфабрикат поступает во вращающуюся печь для обжига. Использование подогретого материала позволяет достичь заданной температуры обжига при меньшем расходе топлива. Подача во вращающуюся печь полуфабриката с температурой 800—900 °С позволяет сократить расход топлива по сравнению с работой печи при холодном материале на 30—35%.

Вылеживание отходов угледобычи в буртах или шихтозапасниках обеспечивает полную гомогенизацию сырьевой смеси по составу и свойствам, а предварительное увлажнение пород способствует разрушению их структуры, повышая эффективность последующей механической обработки.

Оптимальный зерновой состав сырьевой смеси, характеризующийся наличием частиц размерами не более 2 мм, достигается при измельчении шахтных пород в две стадии с использованием дробилок ударного действия. Для получения формовочной массы с заданными технологическими и структурно-механическими свойствами необходим модуль крупности измельченных отходов угледобычи в пределах 1,6-1,9.