Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Керамзит во все времена был и является одним из самых эффективных теплоизоляционных материалов [1]. К преимуществам керамзита относятся экологическая чистота, пожарная безопасность, низкие значения плотности и коэффициента теплопроводности. Керамзит по классификации относится к пористым заполнителям для легких бетонов, называемых керамзитобетоном и имеющих широкое применение в строительстве [2].

Основу керамзитового сырья представляют: а) тонкодисперсные осадочные породы, состоящие из глинистых минералов (монтмориллонита, каолинита, гидрослюды и др.), содержащие минеральные и органические примеси; б) камнеподобные глинистые породы; в) трудно- и невспучивающиеся глины, требующие применения специальных способов обогащения. Производство керамзита из глинистого сырья является энергоемким производством, где основное технологическое оборудование представлено вращающейся печью с температурой вспучивания гранул в интервале от 1050 до 1250 °С. Выпускаемая продукция представляет собой закрытоячеистые высокопористые керамзитовые гранулы, щебень и песок с различной насыпной плотностью [3].

По основным свойствам глинистое сырье для производства керамзита должно содержать частицы глинистых минералов не менее 30 % мас. с крупностью менее 0,005 мм, менее 0,001 мм – не менее 15 % мас., а также иметь свободного диоксида кремния SiO2 – не более 30 % мас., число пластичности – не менее 10, огнеупорность – не более 1350 °С, коэффициент вспучивания – не менее 2,5 [4].

Глины и суглинки большинства известных месторождений относятся к низкокачественному сырью, поэтому они оказываются нерентабельными по экономическим показателям. Такое глинистое сырье требует, кроме глубокой переработки сырья (обогащения), использования модифицирующих добавок (например, молотого каменного угля, солярового масла, мазута, огнеупорных и тугоплавких глин и др.) с целью повышения вспучиваемости исходных гранул и улучшения прочностных характеристик полученного керамзитового гравия [5].

Целью исследования является изучение структуры и свойств глинистого сырья Якутии и способов управления технологическим процессом производства керамзита.

Материалы и методы исследования

По результатам ранее проведенных геологических изысканий строительных материалов Республики Саха (Якутия) [6] керамзитовое сырье представлено 19 месторождениями, подготовленными к промышленному освоению, а также 24 месторождениями, не учтенными сводным балансом запасов и проявлений. Из них эксплуатировались только 4 месторождения, три из которых в Центральной Якутии: Мархинское, Уулахское и Сытыганское. На их основе работали два производства керамзита, в пос. Северный, Мархинский завод строительных материалов, вблизи г. Якутска, и поселке Мохсоголлох – Бестяхский завод ЖБИ [7]. Юлегирское месторождение находится в Западной экономической зоне (вблизи г. Мирный) и эксплуатировалось предприятием «Якуталмаз».

Научно-практический интерес представляют разведанные месторождения, в том числе не учтенные сводным балансом запасов и проявлений, относящиеся к Арктической зоне и развивающимся группам районов Республики Саха (Якутия).

Ниже приводятся результаты аналитических исследований глинистого сырья Якутии и способов их обогащения для производства керамзита, необходимых для разработки предпроектных предложений по организации новых производств.

Результаты исследования и их обсуждение

В первую очередь следует рассмотреть исходные материалы ранее эксплуатированных месторождений керамзитового сырья [6, 7]. В основном глинистое сырье рассматриваемых месторождений по содержанию химических составляющих соответствует требованиям ГОСТ 32026-2012, кроме количества органических включений (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав глинистого сырья эксплуатированных месторождений

По минералогическому составу глины Мархинского месторождения относятся к монтмориллониту с гидрослюдой. Полузаводскими испытаниями установлено, что при составе шихты «глина + 1 % мас. солярового масла» оптимальная температура обжига составила 1180 °С, коэффициент вспучивания 2,3, марка керамзита по средней насыпной плотности 500, предел прочности при сжатии 3,2 МПа. Однако частые прослойки некондиционных пород в толще полезного слоя затрудняют эксплуатацию месторождения. В связи с этим Мархинский завод строительных материалов организовал производство керамзита на основе сырья Уулахского месторождения.

Глинистое сырье Уулахского месторождения представлено пачкой глин серых, темно-серых, коричневато-серых, гидрослюдистых, пластичных, комковатого сложения, с тонкими прослоями алевролитов и аргиллитов. Температура начала вспучивания у большинства проб находится в пределах 1120–1150 °С, а при температуре 1150–1250 °С они имеют округлую форму, шероховатую поверхность. В 1970–1980-х гг. на основе данного глинистого сырья завод производил керамзитовый гравий марок 400–500 с маркой прочности П50–П125.

Глины Сытыганского месторождения являются высококачественным сырьем для производства бесшихтового керамзита в условиях окислительной среды, что было доказано многолетней стабильной работой керамзитового цеха Бестяхского завода ЖБИ. Оптимальная температура обжига составляет 1160–1180 °С, коэффициент вспучивания колеблется в пределах от 1,06 до 5,22. Насыпная плотность керамзитового гравия составила 440–460 кг/м3 с пределом прочности при сжатии 3,4–4,0 МПа.

Отличительной характеристикой глины Юлегирского месторождения является хорошая вспучиваемость гранул в интервале температур 1100–1150°С, что обеспечивает получение керамзитового гравия марок 350–400. На его основе был получен конструктивно-теплоизоляционный легкий бетон марки М25 со средней плотностью 920 кг/м3 и расходом цемента 167 кг/м3 [6].

Следует отметить, что начало освоению керамзита в условиях Якутии было положено в конце 1960-х гг. Керамзит активно с нарастающим объемом использовали в строительстве новых серий крупнопанельного домостроения (464 ВМ, 439, ИИ-04, ИИ-20 и др.). В Бестяхском заводе ЖБИ, затем в ДСК г. Якутска выпускали однослойные керамзитобетонные панели для пятиэтажных жилых зданий серии I-464 ВМ. Поризованный керамзитобетон плотностью 1400 кг/м3 получали на основе керамзита марки 500 и воздухововлекающей добавки СДБ [7]. Опыт советского каменного строительства городов и поселений в условиях вечной мерзлоты и экстремально холодного климата (Архангельск, Мурманск, Норильск, Игарка, Тикси, Якутск, Певек, Магадан и др.) наглядно показывает и доказывает долговечность, надежность и эффективность зданий и сооружений с применением керамзитобетона. Керамзит и керамзитобетон не потеряли актуальности и по сегодняшний день. Область применения керамзитобетона с каждым годом расширяется, особенно в связи со стратегией развития арктических территорий РФ, например, для строительства нефтяных и газовых скважин, береговых сооружений, мостов, аэродромов, объектов двойного назначения и др. [7].

Выбор места строительства и организации производства керамзита должен проводиться согласно стратегии развития РС(Я) [8, 9] с учетом наличия энергетических и сырьевых ресурсов. Для арктической зоны Якутии, состоящей из 13 районов, следует выделить Булунский район с центром в пос. Тикси с морским портом, а также с возможностью энергетического обеспечения в будущем с помощью плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС). К перспективным месторождениям вблизи пос. Тикси относятся участки № 1 и 3 [6]. Их вскрыша представлена делювием, состоящим из обломков и щебенки аргиллитов и алевролитов с незначительным (10–20 % мас.) содержанием песчано-глинистого материала (табл. 2). К недостаткам сырья следует отнести высокую марку дробимости (1200 при сжатии в цилиндре), низкую вспучиваемость щебня от 2 до 3,17 при оптимальной температуре обжига 1180°С, высокую насыпную плотность гранул от 750 до 1100 кг/м3.

В Вилюйской группе районов целесообразно выбрать г. Вилюйск, снабжаемый сравнительно дешевой электроэнергией от Вилюйской ГЭС и газом от АО «Сахатранснефтегаз». Характерным месторождением является Сыдыбыльское месторождение, разведанное для производства кирпича и керамзита. По данным химического анализа [6] глины нижнего пласта относятся к гидрослюдистым, а верхнего – к гидрослюдистым и монтмориллонитовым (табл. 2). Испытаниями установлено, что плотность получаемого керамзита (в куске) составляет не более 950 кг/м3, оптимальная температура обжига не превышает 1250 °С.

Таблица 2

Химический состав глинистого сырья перспективных месторождений

Наибольший интерес представляет керамзитовое сырье Южной Якутии (Южно-Якутский ТПК). В частности, Талуминское месторождение, площадь которого относится к Алдано-Чульманскому угленосному району, наиболее развитому в промышленном отношении. Месторождение представлено аргиллитами и алевролитами, которые обладают наибольшей вспучиваемостью, коэффициент вспучивания изменялся в пределах 2,94–8,75, насыпная плотность пористого материала составила 320–830 кг/м3. Полузаводским испытаниям подвергался керамзитовый гравий размерами 5–10 и 10–20 мм. Температура материала в зоне вспучивания составляла 1100–1120 °С, отходящих газов 600 °С.

К перспективному керамзитовому сырью следует отнести и глины Староаэдромного месторождения, которое в 1960-1980-х гг. эксплуатировалось Мирнинским комбинатом строительных материалов управления «Вилюйгэсстрой». Добыча сырья велась с целью производства керамзитового гравия и кирпича. Предварительные исследования глин на керамзит проводились с добавлением опилок (3 % мас.) в лабораторной печи в восстановительной среде при температуре 1250 °С и выдержке в течение 3 мин. Были получены следующие результаты: керамзитовый гравий с объемной массой от 550 до 570 кг/м3; наружная корка гранул очень тонкая, но отличается большой прочностью; структура гравия мелкопористая.

Как показывают результаты исследования геологических изысканий [6] и собственных научно-исследовательских работ [7, 10], керамзитовое сырье Якутии (табл. 1 и 2) состоит из двух видов глинистых материалов: 1) тонкодисперсные осадочные породы (легкоплавкие глины), состоящие в основном из глинистых минералов (монтмориллонита, гидрослюды, каолинита и др.), содержащие минеральные (кварцевые, полевошпатные, карбонатные, железистые) и органические примеси; 2) сырье глинистое камнеподобное, состоящее из обломков и щебенки аргиллитов и алевролитов, что требует наличия энергоемкого технологического оборудования для сушки, дробления и измельчения исходного сырья.

По классификации ГОСТ 32026-2012 ранее использованное сырье для керамзитового производства (табл. 1) относится к глинам и суглинкам, умеренно пластичным, мало- и средневспучивающимся, со средним содержанием Al2O3, диоксида кремния и оксидов железа в пересчете на Fe2O3, высоким содержанием органических веществ.

В советский период все производства керамзита работали по типовой схеме [5], что остается актуальным и на сегодняшний день. Глинистое сырье доставляется из места добычи в склад для хранения, откуда поступает на переработку, разрыхление, извлечение каменных и органических включений, измельчение и перемешивание с добавками, далее гранулирование, сушка, вспучивание и охлаждение гранул, сортировка и складирование готовой продукции.

Как показали полузаводские испытания глинистого сырья (табл. 1), применение солярового масла в исходных композициях повлияло незначительно на коэффициент вспучивания и прочностные характеристики керамзитового гравия.

Таблица 3

Физико-механические свойства керамзитобетона

Современные технологии производства керамзита [8, 9] позволяют из глинистого сырья Сытыганского месторождения (табл. 1) получать керамзит низкой плотности 280–300 кг/м3 с достаточной прочностью. Совместное применение комплексных добавок ЗАО «НИИКерамзит» и алюмосиликатных опудривателей может повысить вспучиваемость исходного сырья на 20–40 %, снизить температуру обжига на 50 °С с соблюдением требуемого интервала вспучивания.

Таким образом, для современного уровня производства керамзита способы обогащения глинистого сырья остаются традиционными, а улучшение технологических параметров производства и качества конечной продукции в первую очередь связано с использованием новых видов комплексных добавок и опудривателей.

Результаты многолетних исследований производства и применения керамзита и керамзитобетона в условиях Якутии [6, 7, 10] позволяют рекомендовать для возведения несущих стен блоки и панели из керамзитобетона марки D700–D1000, самонесущих стен – керамзитобетона марки D500–D600, перегородочных плит и блоков – керамзитобетона марки D1000–D1200 (табл. 3).

Заключение

Сырьевая база легкоплавких глин Якутии может быть наиболее эффективной для производства высокопористых заполнителей, а также легкого и высокопрочного керамзитобетона на их основе для строительства энергоэффективных зданий любой этажности в условиях многолетней мерзлоты и экстремально холодного климата.

Решающим фактором для выбора места организации производства керамзита является наличие высококачественного сырья и достаточных энергетических ресурсов, а также потребность в конечной продукции для промышленного и гражданского строительства с учетом стратегии развития Арктической зоны РФ.