Author: Баженов Ю.М. Ицкович С.М. Чумаков Л. Д.
Tags: каменная кладка и подобные строительные работы строительные материалы и изделия строительство бетон железобетонные конструкции издательство высшая школа
ISBN: 5-06-001820-2
Year: 1991
Text
С. М. Ицкович, Л. Д. Чумаков,
Ю. М. Баженов
ТЕХНОЛОГИЯ
ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
БЕТОНА
Допущено
Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве
учебника для студентов
высших учебных заведений,
обучающихся по специальности
«Производство строительных
изделий и конструкций»
• )
< -A z,, а л /
Москва «Высшая школа» 1991
ББК 38.33
И96
УДК 693.552
Рецензенты: кафедра строительных материалов Киевского ордена
Трудового Красного Знамени инженерно-строительного института (зав ка-
федрой проф. И. А. Пашков); д-р техн, наук, проф. И. Е. Путляев (НИИЖБ
Госстроя СССР)
Ицкович С. М. и др.
И96 Технология заполнителей бетона: Учеб, для строит, вузов
по спец. «Производство строительных изделий и конструк-
ций»/С. М. Ицкович, Л. Д. Чумаков, Ю. М. Баженов. — М.:
Высш, шк., 1991. — 272 с.: ил.
ISBN 5-06-001820-2
В учебнике рассмотрены сведения об источниках сырья для получения запол-
нителей, технологии их производства, технологические требования к заполнителям, их
свойства и методы испытаний, особенности применения в бетонах. Уделяется внимание
более доступным и дешевым заполнителям, а также производству их из местного
сырья и отходов промышленности. Рассматриваются основные вопросы снижения мате-
риалоемкости, экономии топливно-энергетических ресурсов и повышения качества за-
полнителей.
и 3306000000(4309000000)—040
001(01)—91
ББК 38.33
6СЗ
Учебное издание
Ицкович Семен Михайлович,
Чумвков Леонард Дмитриевич,
Баженов Юрий Михайлович
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ БЕТОНА
Зав. редакцией Б. А. Ягупов. Редактор Н. Н. Попова. Мл. редактор Н. В. Тра-
ханова. Художник А. С. Александров. Художественный редактор С. Г. Абе-лин.
Технический редактор 3. В. Нуждина. Корректор Р. К. Косинова
ИБ № 8865
Изд. № Стр.—575. Сдано в набор 06.06.90. Подл, в печать 08.10.90. Формат 60Х88’/ц.
Бум. офс. № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Объем 16.66 усл. печ. л.
16,66 усл. кр.-отт. 17,97 уч.-изд. л. Тираж 10 000 виз. Зак. М 462. Цена 90 коп.
Издательство «Высшая школа>, 101430, Москва, ГСП-4, Неглннная ул., д. 29/14.
Московская типография № 8 Госкомитета СССР по печати, 101898, Москва, Центр,
Хохловский пер., 7
ISBN 5-06-001820-2
© С. М. Ицкович, Л. Д. Чумаков,
Ю. М. Баженов, 1991
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................................. 6
Введение ............................................................... 8
Глава 1. Общие понятия и определения............................... 10
1.1. Назначение заполнителей........................................... 10
1.2. Классификация заполнителей........................................ 11
Глава 2. Основные свойства заполнителей и методы их испытаний ... 14
2.1. Насыпная плотность заполнителя.................................... 14
2.2. Плотность зерен и вещества заполнителя............................ 15
2.3. Пустотность заполнителя........................................... 17
2.4. Пористость зерен заполнителя...................................... 18
2.5. Влажность и водопоглощенне заполнителя........................... 19
2.6. Форма зерен заполнителя и их взаимная укладка..................... 20
2.7. Зерновой состав заполнителя ...................................... 22
2.8. Удельная поверхность заполнителя.................................. 24
2.9. Структура заполнителя............................................. 26
2.10. Прочность заполнителя............................................ 27
2.11. Водсг- и морозостойкость заполнителя............................. 30
2.12. Испытание заполнителя в бетоне................................... 31
2.13. Однородность заполнителя......................................... 39
Глава 3. Влияние заполнителей на свойства бетонной смеси............... 45
3.1. Состав бетонной смеси............................................. 45
3.2. Приготовление бетонной смеси . ................................... 49
3.3. Транспорт бетонной смеси . ....................................... 50
3.4. Укладка и уплотнение бетонной смеси............................... 51
3.5. Твердение бетона . .......................................... 52
Глава 4. Влияние заполнителей на свойства бетона....................... 54
4.1. Прочность бетона.................................................. 54
4.1.1. Сцепление цементного камня с поверхностью зерен заполнителей.
4.1.2. «Армирование» бетона заполнителем. 4.1.3. Прочность заполни-
телей.
4.2. Плотность бетона................................................
4.3. Упругость бетона.................................................. 65
4.4. Теплопроводность бетона........................................... 71
4.5. Пластические деформации бетона под нагрузкой...................... 73
4.6. Усадка бетона..................................................... 74
4.7. Долговечность бетона.............................................. 76
4.8. Однородность бетона............................................... 80
Глава 5. Заполнители из природных плотных каменных пород............. 84
5.1. Сырьевая база..................................................... 84
5.2. Песок............................................................. 87
5.2.1. Зерновой состав. 5.2.2. Содержание примесей. 5.2.3. Влажность.
3
5.2.4. Добыча природного песка. 5.2.5. Песок из отсевов дробления.
5.2.6. Обогащение и фракционирование.
5.3. Гравий......................................................... 105
5.3.1. Технические требования. 5.3.2. Добыча н фракционирование. 5.3.3.
Промывка. 5.3.4. Обогащение.
5.4. Щебеиь......................................................... 119
5.4.1. Технические требования. 5.4.2. Производство. 5.4.3. Обогащение.
5.4.4. Щебень из гравия.
5.5. Технологические схемы производства щебня, гравия и песка...... 127
5.5.1. Общие принципы и положения. 5.5.2. Щебеночные заводы. 5.5.3.
Гравийно-щебеночные и гравийио-песчаиые заводы. 5.5.4. Гравийно-
песчаиые и лесчаиые заводы с гидромеханизированным способом добы-
чи сырья. 5.5.5. Склады готовой продукции.
Глава 6. Природные пористые заполнители............................. 154
6.1. Заполнители вулканического происхождения....................... 155
6.1.1. Пемза. 6 1.2. Вулканические шлаки. 6.1-3. Туфы и туфовые лавы.
6.2. Заполнители осадочного происхождения........................... 157
6.2.1. Пористые известняки и ракушечники. 6 2.2. Кремнеземистые по-
роды.
6.3. Обогащение пористых заполнителей............................... 158
Глава 7. Заполнители из отходов промышленности...................... 161
7.1. Попутно добываемые породы...................................... 161
7.2. Отходы, получаемые в процессе обогащения полезных ископаемых . . 162
7.3. Металлургические шлаки......................................... 163
7.3.1. Шебрнь из доменного шлака. 7.3.2. Гранулированный шлак
7.4. Топливные шлаки................................................ 168
7.4.1. Шлаки от сжигания кускового топлива. 7.4.2. Шлаки от сжига-
ния пылевидного топлива.
7.5. Золы и золошлаковые смеси...................................... 170
7.6. Древесные отходы............................................... 171
7.7. Другие отходы промышленности................................... 172
Глава 8. Искусственные пористые заполнители........................ 175
8.1. Керамзит....................................................... 176
8.1.1. Сырье. 8.1.2. Основы технологии. 8.1.3. Технические требования.
8.1.4. Однородность. 8.1.5. Обогащение. 8.1.6. Керамзитовый песок.
8.1.7. Технологические схемы производства. 8.1.8. Применение.
8.2. Аглопорнт...................................................... 203
8.2.1. Сырье. 8.2.2. Основы технологии. 8.2.3. Технические требования.
8.2.4. Аглопоритовый гравий. 8.2.5. Применение.
8.3. Шлаковая пемза................................................. 212
8.3.1. Основы технологии. 8.3.2. Технические требования. 8.3.3. Приме-
нение.
8.4. Шунгизит....................................................... 217
8.5. Азерит .... 218
8.6. Термолит....................................................... 221
8.7. Обжиговый зольный гравий....................................... 223
8.8. Безобжиговый зольный гравий.................................... 224
8.9. Вспученный перлит............................................ 225
8.10. Вспученный вермикулит......................................... 229
8.11. Другие заполнители и технологические решения.................. 229
Глава 9. Заполнители для различных видов бетона..................... 235
9.1. Гидротехнический бетон......................................... 235
9.2. Дорожный бетой................................................. 235
9.3. Асфальтовый бетон.............................................. 236
4
9.4. Легкий бетой................................................... 237
9.5. Силикатный бетон............................................... 239
9.6. Ячеистый бетон................................................. 240
9.7. Гипсобетон..................................................... 240
9.8. Жаростойкий бетон 241
9.9. Кнслото- и щелочестойкне бетоны................................ 242
9.10. Бетон для защиты от радиации.................................. 242
9.11. Фибробетон—................................................... 244
9.12. Декоративный бетон ........................................... 245
Глава 10. Вопросы экономической эффективности производства и при-
менения заполнителей ............................................... 247
10.1. Природные песок, гравий и щебеиь.............................. 248
10.2. Пористые заполнители.......................................... 249
10.3. Использование отходов промышленности.......................... 251
10.4. Фракционирование и обогащение заполнителей.................... 251
Глава 11. Рекомендации по курсовому и дипломному проектированию 254
11.1. Исходные положения проектирования............................. 254
11.2. Расчет производительности технологических линий н оборудования 256
11.2.1. Производство заполнителей из плотных и пористых горных
пород. 11.2.2. Производство искусственных пористых заполнителей
11.3. Другие вопросы технологического проектирования................ 266
Приложения.......................................................... 268
Заключение.......................................................... 271
Литература.......................................................... 272
ПРЕДИСЛОВИЕ
Читателю предлагается первый учебник по курсу «Технология за-
полнителей бетона», введенному новым учебным планом подготов-
ки инженеров-строителей-технологов по специальности «Производ-
ство строительных изделий и конструкций». За четыре десятилетия
подготовки вузами инженеров указанной специальности учебный
план неоднократно пересматривался, причем его формирование
отражало основные тенденции осуществлявшейся в стране техни-
ческой политики в области строительства. Эти тенденции, как из-
вестно, связаны с возрастанием роли бетона и железобетона, обес-
печивающих индустриализацию строительства, сокращение сроков
и стоимости возведения объектов, повышение эффективности капи-
таловложений в различных отраслях народного хозяйства.
В курсе впервые для данной специальности представлена тех-
нология крупной подотрасли промышленности строительных мате-
риалов— добычи и переработки так называемых нерудных полез-
ных ископаемых, объем производства которых в СССР превышает
1 млрд, м3 в год. Качество этой продукции (песка, гравия, щебня)
непосредственно определяет качество бетона наиболее массовых
строительных изделий и конструкций.
Достаточно широко представлены природные и искусственные
пористые заполнители для легких бетонов различного назначения.
В учебнике представлены также возможности широкого исполь-
зования в качестве заполнителей для бетона либо в качестве сырья
для их производства имеющихся почти повсеместно разнообразных
промышленных отходов. Эти отходы, пока еще не полностью ис-
пользуемые, представляют собой важнейший сырьевой ресурс
строительной промышленности, именно ею реально могут быть ути-
лизированы с экономическим и экологическим эффектом.
Объединение в одном курсе всех сведений по разнообразным за-
полнителям, используемым в бетонах различного назначения, яви-
лось итогом его логического развития и с методической точки зре-
ния оптимально для формирования инжепера-строителя-технолога
данной специальности.
Повсеместному введению нового курса предшествовали методи-
ческие разработки и анализ опыта Белорусского ордена Трудового
Красного Знамени политехнического института, где с 1968 г. в по-
рядке эксперимента было начато преподавание специального кур-
са «Заполнители для бетона», изданы одноименные конспект лек-
ций (1968 г.) и учебные пособия (1972 и 1983 гг.). Таким образом,
6
общая направленность и программа курса достаточно апробиро-
ваны и его целесообразность очевидна. В то же время потребова-
лось развитие содержания курса преимущественно в технологиче-
ском аспекте, что и отразилось в новом его названии.
Содержание учебника базируется на достижениях отечествен-
ной и зарубежной науки и практики, которые авторы стремились
обобщить и систематизировать для облегчения усвоения этих зна-
ний студентами. Подробная рубрикация текста, логика технологи-
ческих решений, иллюстративный материал рассчитаны на непо-
средственное восприятие знаний студентами при самостоятельной
работе с книгой. Текст учебника построен так, чтобы студент мог
при необходимости быстро и легко найти в нем интересующие его
конкретные сведения. В то же время для углубленного понимания
при систематическом изучении материала описанию конкретных ви-
дов заполнителей предпосланы гл. 2, 3, 4, в которых представлены
важнейшие общие свойства заполнителей, методы испытаний, связь
свойств бетонных смесей и бетонов со свойствами применяемых за-
полнителей. Понимание этой связи в противовес механическому за-
поминанию конкретных данных дает истинное знание предмета и
формирует специалиста.
Предисловие, введение, гл. 1 и заключение написаны авторами
совместно, гл. 2, 6 и 10 — С. М. Ицковичем, гл. 5, 7, 8, 11 —
С. М. Ицковичем и Л. Д. Чумаковым, гл. 3, 4, 9 — С. М. Ицкови-
чем и Ю. М. Баженовым.
За помощь в работе авторы выражают глубокую признатель-
ность рецензентам — сотрудникам кафедры строительных материа-
лов Киевского ордена Трудового Красного Знамени инженерно-
строительного института (зав. кафедрой проф. И. А. Пашков) и
д-ру техн, наук, проф. И. Е. Путляеву (НИИЖБ Госстроя СССР).
Предложения по дальнейшему совершенствованию учебника будут
приняты с благодарностью.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
Рост и обновление основных фондов социалистической промышлен-
ности, развитие общественного производства, ускорение фондоот-
дачи, научно-технический прогресс и рост благосостояния совет-
ского народа в большой степени связаны с эффективностью капи-
тального строительства. Повышение эффективности строительного
производства обеспечивается его индустриализацией, поэтому в ре-
шении перечисленных важнейших народнохозяйственных задач ве-
лика роль ускоренно развивающейся отрасли промышленности, для
работы в которой готовят себя студенты, избравшие своей будущей
специальностью «Производство строительных изделий и конструк-
ций».
.Основным материалом для возведения разнообразных строи-
тельных конструкций, в том числе из изделий заводского изготов-
ления, в настоящее время и в обозримом будущем является бетон.
Это связано с расширением понятия «бетон». Бетонов стало много:
тяжелый и легкий, конструкционный и теплоизоляционный, дорож-
ный и гидротехнический, ячеистый и крупнопористый, жаростойкий
и декоративный, защищающий от радиоактивных воздействий и от
химической коррозии, керамзитобетон, шлакопемзобетон, аглопо-
ритобетон, золобетон, термолитобетон и т. д., причем название бе-
тона часто зависит от названия используемого заполнителя, а свой-
ства его в значительной мере определяются свойствами заполните-
ля. Отсюда следует роль и место курса «Технология заполнителей
бетона» в общей структуре дисциплин специализации.
Сопутствуя дисциплине «Технология бетона и железобетона» —
основной дисциплине специализации, данный курс являет собой
развернутое учение о заполнителях и призван дать будущему ин-
женеру комплекс знаний об источниках сырья для получения за-
полнителей, технологии их производства, технических требованиях,
свойствах, методах испытаний, особенностях применения в бетонах.
Все перечисленные аспекты взаимообусловлены, поэтому в изложе-
нии материала будет последовательно прослеживаться причинно-
следственная связь в цепи явлений и действий: вид и свойства
сырья — технология его переработки — структура полученного за-
полнителя — его свойства — технология, определяемая этими свой-
ствами — направления использования и технико-экономическая
эффективность.
Только различая все нюансы влияния заполнителей на свойства
бетонной смеси и бетона, можно квалифицированно выбрать наи-
более рациональную область применения того или иного заполни-
8
теля либо изыскать из имеющегося арсенала заполнителей именно
тот, который наилучшим образом соответствует требованиям,
предъявляемым к данному бетону. В равной мере на основе после-
довательного детерминизма студент должен научиться целенаправ-
ленному поиску сырьевых ресурсов для организации производства
требуемых заполнителей и выбору эффективных технологических
приемов переработки того или иного сырья исходя из его особен-
ностей и поставленной цели.
Наряду с изложением технологии добычи, производства и пере-
работки природных заполнителей, а также искусственных, полу-
чаемых из природного сырья, учебник ориентирует будущего ин-
женера на расширение сырьевой базы за счет максимального
использования разнообразных промышленных отходов, чем способ-
ствует воспитанию в нем чувства хозяина в широком смысле со-
циалистической перестройки, учит комплексному подходу к исполь-
зованию природных ресурсов в безотходных технологиях с
решением экологических и экономических проблем в общегосудар-
ственном масштабе.
Приступая к изучению курса, студент должен исходить из опре-
деляющей роли экономики. Политика, в том числе и техническая
политика, определяется экономикой, поэтому все технические ре-
шения нуждаются в экономическом обосновании. Экономическое
мышление диалектически учитывает время, место, ситуацию, кон-
кретные условия. Это особенно важно в связи с совершенствова-
нием хозяйственного механизма в строительстве на основе хозрас-
чета, самоокупаемости и самофинансирования.
Все большее значение приобретают вопросы повышения каче-
ства строительства. Качество — категория технико-экономическая.
Конкретный пример — переход в строительстве от марок бетона
(средних показателей прочности) к классам (с заданной обеспе-
ченностью требуемой прочности). В связи с этим переходом эко-
номически стимулируется повышение однородности бетона. Послед-
няя зависит от качества и однородности заполнителей, поэтому в
учебнике уделено много внимания технологии обогащения запол-
нителей, обеспечению их высокого качества и технологической на-
дежности.
Согласно учебному плану, лекционный курс и самостоятельная
работа студентов по данному курсу дополняются лабораторным
практикумом и курсовым проектированием. Большое значение име-
ет практическое ознакомление с технологией на заводах строитель-
ной индустрии. Не заменяя специальные методические разработки
по этим направлениям учебного процесса, учебник дает студентам
теоретическую базу, основу правильного технологического мышле-
ния и намечает переход к решению конкретных практических за-
дач, которые будут поставлены перед студентами на лабораторных
занятиях, в заданиях по курсовому проектированию и аналогичные
которым в будущем поставит перед инженерами жизнь.
9
Глава 1
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
• Заполнители — природные или искусственные ма-
териалы определенного зернового состава, которые в
рационально составленной смеси с вяжущим веще-
ством и водой образуют бетон. Стоимость заполните-
лей достигает 30... 50 % стоимости бетонных и желе-
зобетонных конструкций, а иногда и более. Поэтому
изучение, правильный выбор заполнителей, рациональное их про-
изводство и применение имеют большое народнохозяйственное зна-
чение.
1.1. НАЗНАЧЕНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
Основная активная часть бетона — вяжущее, цемент. Именно
вяжущее, реагируя с водой, способно схватываться и твердеть, пе-
реходя из пластичного тестообразного состояния в твердое и пре-
вращая бетонную смесь в бетон. Зачем же нужны заполнители?
• Заполнители занимают в бетоне до 80 % объема и, следователь-
но, позволяют резко сократить расход цемента или других вяжу-
щих, являющихся наиболее дорогой и дефицитной составной частью
бетона.
• Цементный камень при твердении претерпевает объемные де-
формации. Усадка его достигает 2 мм/м. Из-за неравномерности
усадочных деформаций возникают внутренние напряжения и тре-
щины. Мелкие трещины могут быть невидимы невооруженным гла-
зом, но они резко снижают прочность и долговечность цементного
камня. Заполнитель создает в бетоне жесткий скелет, воспринима-
ет усадочные напряжения и уменьшает усадку обычного бетона
примерно в 10 раз по сравнению с усадкой цементного камня.
• Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя увеличивает
прочность и модуль упругости бетона (т. е. уменьшает деформа-
ции конструкций под нагрузкой), уменьшает ползучесть (т. е. пла-
стические необратимые деформации бетона при длительном дей-
ствии нагрузки).
• Легкие пористые заполнители уменьшают плотность бетона и
его теплопроводность, делают возможным применение такого бе-
тона в ограждающих конструкциях, для теплоизоляции.
• Специальные особо тяжелые и гидратные заполнители делают
бетон надежной защитой от проникающей радиации (па атомных
электростанциях и т. п.).
Этот неполный перечень определяет назначение заполнителей,
которые являются очень важной составной частью бетонов, влияют
на их свойства и технико-экономическую эффективность.
10
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
Основными признаками стандартизованной классификации раз-
нообразных заполнителей для бетона (ГОСТ 25137—82) являют-
ся: происхождение, крупность зерен, характер формы зерен, плот-
ность (табл. 1.1).
Таблица 1.1. .Классификация заполнителей
Происхождение
Вид, крупность,
характер формы зерен
Способ производства
(обработки)
Плотные (плотность зерен >2,0 г/см3)
Природные
Щебень
Гравий
Щебень из гравия
Песок:
Из попутно добывае-
мых пород и отходов
обогащения (природные)
Из отходов промыш-
ленности
обогащенный 1
фракционирован- ’>
ный J
из отсевов дробле-
ния
обогащенный
Декоративные щебень
и песок
Щебень и песок
Щебень из доменного
шлака
Дробление и сортировка
горных скальных пород
Сортировка гравийно-пес-
чаной смеси
То же, и дробление
Г идромеханизированная
или экскаваторная добыча:
гидроклассификация, клас-
сификация, промывка, обез-
воживание
классификация, промывка,
обезвоживание
То же
Дробление, сортировка,
промывка и обезвоживание
Дробление и сортировка
То же
Пористые (плотность зерен <2,0 г/см3)
А. Неорганические
Природные
Из отходов промыш-
ленности
Искусственные (специ-
ально приготовленные)
Щебень и песок из по-
ристых горных пород
(вулканического, осадоч-
ного присхождения)
Щебень и песок из по-
ристых шлаков, из кир-
пичного боя
Золошлаковые смеси,
грубодисперсные золы-
унос
Керамзит-гравий, песок
и его разновидности: гли-
нозольный керамзит;
шунгизит-гравнй, песок;
зольный гравий; вспучен-
ные аргиллит и трепел
Азерит
Дробление и сортировка
То же
Необработанные
Обжиг со вспучиванием
подготовленных гранул (зе-
рен) из природного сырья,
отходов промышленности
или их смеси
Подготовка шнхты плав-
лением, быстрым охлажде-
нием и помолом
11
Продолжение табл, 1.1
Происхождение
Вид, крупность,
характер формы зерен
Способ производства
(обработки)
Термолит-щебеиь, гра-
вий
Аглопорит-щебеиь, гра-
вий и песок
Безобжиговый зольный
гравий (БЗГ)
Шлаковая пемза-ще-
бень (гравий), песок
Вспученный перлит,
щебень (гравий), песок
Б. Органические
Отходы заготовки и
переработки древесины
От переработки сель-
скохозяйствен иой про-
дукции и растений
От переработки в про-
мышленности
Куски, частицы дерева,
опилкн, стружка, дре-
весные волокна
Стебли хлопчатника,
камыша, тростника, кост-
ра лубяных культур
(льиа, конопли) и др.
Частицы пластиков, ре-
зины и др.
Обжиг без вспучивания
Спекание при обжиге под-
готовленных гранул песчано-
глинистых пород, зол ТЭС,
отходов углеобогащения
Гидратациоиное твердение
гранул из подготовленной
смеси золы и вяжущего
Поризация расплава шла-
ков и охлаждение
Вспучивание при обжиге
подготовленных зерен из
вулканических водосодер-
жащих пород
Измельчение, сортировка
• По происхождению заполнители подразделяют на три группы:
I) природные, в том числе из попутно добываемых пород и отхо-
дов обогащения; 2) из отходов промышленности; 3) искусственные
(специально приготовленные).
Природные материалы и материалы из отходов промышленно-
сти, получаемые без изменения их химического состава и фазового
состояния, характеризуются соответственно происхождением и пет-
рографическим наименованием горных пород или видом отходов.
Например, изверженные глубинные (интрузивные) породы — гра-
нит, сиенит, диорит; доменные отвальные шлаки. Искусственные
заполнители характеризуются видом сырья (природное, из отходов
или их смесь) и технологией производства (способ обработки).
Например, получаемые из природного сырья обжигом со вспучи-
ванием— керамзит; получаемые поризациен расплава доменных
шлаков — шлаковая пемза.
• По крупности зерен заполнители подразделяют на: 1) круп-
ные— с зернами (кусками) свыше 5 мм (щебень, гравий); 2) мел-
кие— с размером зерен до 5 мм (песок).
• По характеру формы зерен различают: 1) заполнители, имею-
щие угловатую (неправильную) форму, получаемые дроблением
(щебень, песок из отсевов дробления и др.); 2) заполнители,
12
имеющие округлую форму зерен (гравий, природный песок и др.).
• Заполнители относят к плотным или пористым в зависимости
от плотности их зерен, которая составляет соответственно свыше и
до 2,0 г/см3.
• Классификационной характеристикой заполнителя также может
быть его насыпная плотность, которая для крупных пористых за-
полнителей не должна превышать 1200 кг/м3, а для пористых пе-
сков — 1400 кг/м3.
• Вид заполнителей является одним из признаков классификации
бетонов, в соответствии с которым различают бетоны на плотных,
пористых и специальных заполнителях.
• Сами же заполнители подразделяют в соответствии с основным
назначением: для тяжелых, легких, мелкозернистых бетонов, для
специальных бетонов (жаростойких, химически стойких, декоратив-
ных, радиационно-защитных, теплоизоляционных и др.).
Перечисленными понятиями предварительно обозначены контуры той
области знаний, которая является предметом данного учебника и будет раз-
вернута в последующих главах.
П 1. Возможно ли получение бетона без заполнителей? 2. Какую часть объема
£ бетона обычно занимают заполнители? Как с объемом заполнителей в бе-
тоне связан расход цемента? 3. Какова роль заполнителей в формирова-
нии требуемых свойств бетона, а также в составлении его себестоимости?
4. Каковы основные источники получения заполнителей? 5. Какие техноло-
гические процессы в производстве заполнителей определяют их отнесение
к группе искусственных? 6. По каким граничным показателям подразделя-
ют заполнители на мелкие и крупные, плотные и пористые?
Глава 2
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
И МЕТОДЫ ИХ ИСПЫТАНИЙ
Разнообразные заполнители для бетона отличаются
теми или иными специфическими свойствами и осо-
бенностями, обусловливающими область их примене-
ния и технико-экономическую эффективность. В то
же время все они как сыпучие зернистые материалы
характеризуются едиными основными показателями
качества.
2.1. НАСЫПНАЯ ПЛОТНОСТЬ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
• Насыпной плотностью заполнителя называют отношение его
массы ко всему занимаемому объему, включая пространство
между зернами.
Определяют насыпную плотность следующим образом. Высу-
шенный до постоянной массы заполнитель насыпают с высоты
100 мм в предварительно взвешенный мерный сосуд до образо-
вания над верхом сосуда конуса. Затем, не сдвигая сосуд (во
избежание уплотнения заполнителя), линейкой срезают конус и
сосуд с заполнителем взвешивают.
Насыпная плотность заполнителя (кг/м3)
Ри=(^2 — mJ/V,
где т2 — масса мерного сосуда с заполнителем, кг; т.\— масса
мерного сосуда, кг; V — вместимость мерного сосуда, м3.
Таблица 2.1. Размеры мерных сосудов в зависимости от крупности
заполнителей
Наибольшая крупность зерен, мм Вместимость мерного сосуда, л Внутренние размеры сосуда, мм
диаметр высота
5 и менее 1 108 108,5
10 2 137 136,5
20 5 185 186,5
40 10 234 233,8
14
Следует иметь в виду, что результат определения насыпной
плотности заполнителя зависит от вместимости и формы мерного
сосуда, от соотношения размеров сосуда и зерен заполнителя.
При данной крупности зерен чем меньше размеры сосуда, тем
относительно меньшей будет степень заполнителя его объема зер-
нистым материалом. Поэтому действующие нормы предусматри-
вают использтгвание стандартных мерных цилиндрических сосудов
различной вместимости для заполнителей разной крупности.
В табл. 2.1 приведены требования ГОСТ 9758—86 для испытания
пористых заполнителей.
Для испытания щебня и гравия в зависимости от их крупно-
сти стандарты предусматривают использование мерных сосудов
вместимостью 5 ... 50 л, для песка — 1л.
Насыпная плотность — важная характеристика заполнителей,
особенно пористых, основная маркировка которых производится
по этому показателю. Знание насыпной плотности необходимо для
расчета массовой доли заполнителя, если известен его объем, или,
наоборот, для определения вместимости складских помещений,
бункеров, исходя из требуемой массы заполнителя, при расчете
состава бетона, дозировании заполнителей и т. д.
Иногда насыпную плотность заполнителя определяют в уплот-
ненном состоянии. В этом случае мерный сосуд с заполнителем
подвергают вибрации на лабораторной виброплощадке, заполни-
тель по мере уплотнения досыпают в сосуд доверху. Результаты
превышают стандартную насыпную плотность заполнителя на
5... 25 % и отражают способность данного заполнителя к уплот-
нению (например, при вибрировании бетона) за счет более ком-
пактной укладки зерен.
2.2. ПЛОТНОСТЬ ЗЕРЕН И ВЕЩЕСТВА ЗАПОЛНИТЕЛЯ
• Плотность зерен заполнителя представляет собой отношение
массы пробы сухого щебня или гравия к суммарному объему его
зерен.
Объем зерен заполнителя определяют по разнице в результа-
тах взвешивания пробы на воздухе и в воде. Поскольку взвеши-
вание в воде сопряжено с возможностью ее проникания в поры
зерен заполнителя, последний заранее насыщают водой.
Плотность зерен заполнителя (г/см3)
где mi — масса пробы заполнителя в сухом состоянии, г; гп2 —
масса пробы заполнителя после насыщения водой, установленная
при взвешивании на воздухе, г; т3 — результат взвешивания про-
бы заполнителя в воде, г; рв — плотность воды, принимаемая рав-
ной 1 г/см3.
15
Для удобства проведения испытаний по ГОСТ 9758—86 пробу
щебня или гравия объемом 1 л помещают в специальный перфо-
рированный сосуд (контейнер), вместе с которым и производят
все операции. Из результатов взвешивания контейнера с пробой
заполнителя вычитают соответствующие результаты взвешивания
на воздухе и в воде пустого контейнера.
Описанное испытание позволяет установить среднюю плотность
зерен в пределах взятой пробы. Для определения плотности от-
дельных зерен пористых заполнителей существуют методы, осно-
ванные на измерении объема зерен в более дисперсной сыпучей
среде. По ГОСТ 9758—86 для этого используют прокаленный
кварцевый песок. Песок засыпают в сосуд доверху, затем частич-
но отсыпают, укладывают зерно заполнителя, снова наполняют
сосуд песком и замеряют объем оставшегося песка, который, оче-
видно, равен объему зерна заполнителя. Встряхивание при этом
не допускается во избежание уплотнения песка и искажения ре-
зультатов измерения.
Главное в описанных испытаниях — определение объема от-
дельных зерен неправильной формы или их совокупности в пробе
(навеске). Помимо технических затруднений и связанных с ними
погрешностей измерения следует уяснить, какой именно объем не-
обходимо измерить. Объем, занимаемый заполнителем в водной
среде, может отличаться от его объема в песке или иной среде.
При расчете состава бетона необходимо знать объем, который
зерна заполнителя займут в бетоне. Для многих видов заполни-
телей, имеющих зерна с развитой поверхностью и большой от-
крытой пористостью, этот объем значительно меньше определяе-
мого вышеописанными методами, поскольку в бетоне открытые по-
ры зерен заполняются водой и цементом.
В связи с этим ГОСТ 9758—86 предусматривает методику
определения плотности зерен заполнителя в цементном тесте. На-
веску сухого пористого щебня или гравия объемом 3,5 л переме-
шивают на предварительно увлажненном противне с 1,7 кг цемен-
та и 3,4 кг кварцевого песка. Затем вводят воду до получения
бетонной смеси определенной консистенции. Перемешанную бе-
тонную смесь выдерживают 15 мин для более полного насыще-
ния пор заполнителя влагой и цементным тестом. Затем всю
смесь укладывают в стандартный сосуд вместимостью 5 л (см.
табл. 2.1), уплотняют вибрированием на лабораторной вибропло-
щадке в течение 30 ... 60 с и определяют плотность бетонной сме-
си в уплотненном состоянии. Плотность зерен крупного заполни-
теля в цементном тесте (г/см3) по результатам описанного испы-
тания
рЦ.т=----------РсмИз-------- , (2.2)
Af — Рем I + + тв I
\ Рц Рп /
16
где рем — плотность бетонной смеси, кг/л; т3 — масса сухой про-
бы пористого заполнителя, кг; М — суммарный расход всех ма-
териалов (включая воду) в замесе, кг; тц—масса цемента в за-
месе, кг; рц—плотность цемента, определяемая по ГОСТ 310.2—
76 или принимаемая равной 3,1 г/см3; тв— масса кварцевого пе-
ска в замесе, кг; рп — плотность кварцевого песка, определяемая
экспериментально или принимаемая равной 2,65 г/см3; тв—-мас-
са воды в замесе, кг.
Существует более простая методика, имеющая определенные
преимущества перед стандартной. Согласно этой методике, снача-
ла готовят растворную часть бетонной смеси. Для этого 1,5 кг
цемента перемешивают с 3 кг кварцевого песка и добавляют 0,7 л
воды. Полученный пластичный раствор дозируют стандартным
2-литровым мерным сосудом, наполняя последний до краев при
встряхивании, и помещают в предварительно увлажненный про-
тивень. Туда же добавляют 2 л сухого испытуемого пористого
щебня или гравия, массу которого предварительно фиксируют.
После тщательного перемешивания бетонную смесь выдерживают
15 мин, снова перемешивают, полностью переносят в стандартный
сосуд вместимостью 5 л и подвергают виброуплотнению.
Затем сосуд с уплотненной бетонной смесью взвешивают (mi),
заливают до краев водой и снова взвешивают (т2). Плотность
зерен испытуемого заполнителя (г/см3) в цементном тесте (в бе-
тоне)
где т3 — масса сухой пробы пористого заполнителя, кг; VB —
объем (л) долитой в сосуд воды, численно равный разнице в мас-
се сосуда и бетонной смеси с долитой водой и без нее: т2 —
— т.\ (кг); 3 — соответствует объему, занимаемому в 5-литровом
сосуде заполнителем и долитой водой, поскольку объем цементно-
песчаного раствора составляет, как указано выше, 2 л.
Плотность вещества заполнителей, как и других строительных
материалов, определяют путем измельчения пробы в тонкий по-
рошок (пористостью частиц которого можно пренебречь) с после-
дующим измерением абсолютного объема навески порошка в пик-
нометре или в приборе Ле-Шателье по объему вытесненной по-
рошком воды или другой жидкости (керосина).
2.3. ПУСТОТНОСТЬ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
• Пустотностью, или межзерновой пустотностью, заполнителя на-
зывают выраженное в процентах отношение объема межзерновые
пустот ко всему объему, занимаемому заполнителем в свободтфЯ'
засыпке (без уплотнения).
Если известны насыпная плотность заполнителя рн (кг/м3) и
плотность его зерен р3 (г/см3), то пустотность можно определить
расчетом:
ПуСТ
Рн
1000₽3
100.
(2-4)
Пустотность может быть определена и экспериментально. Для
этого заполнитель, как при определении насыпной плотности, за-
сыпают в мерный сосуд (см. табл. 2.1) и заливают водой. После
выдержки, необходимой для насыщения зерен заполнителя во-
дой, сосуд накрывают мелким ситом и опрокидывают для стека-
ния непоглощенпой воды. Затем сосуд с водонасыщенным запол-
нителем взвешивают, доливают доверху водой и снова взвешива-
ют. При этом
vnycT=-^-100%,
где тв — масса долитой воды, кг; V — вместимость сосуда, л.
В случае экспериментального определения пустотности можно
расчетным путем найти плотность зерен (г/см3):
Р3==------------- (2.5)
3 1000 - 10 ипуст ' '
Если необходимо знать пустотность заполнителя в уплотнен-
ном состоянии, то при расчете по формуле (2.4) вместо насып-
ной плотности принимают соответствующую плотность заполни-
теля в уплотненном состоянии.
Если требуется определить пустотность вместе с той частью
открытых пор в зернах заполнителя, которая в бетоне заполняет-
ся цементным тестом, то в выражение (2.4) вместо плотности зе-
рен р3 следует подставить плотность зерен заполнителя в цемент-
ном тесте р.ц т, определяемую по формулам (2.2) или (2.3).
Пустотность — очень важная характеристика заполнителя.
В плотном конструкционном бетоне все пустоты должны быть за-
полнены цементным тестом. Поэтому чем меньше пустотность за-
полнителя, тем меньше расход цемента при получении бетона.
В крупнопористом бетоне, наоборот, желательна повышенная пу-
стотвость заполнителя.
Как будет показано ниже, пустотность зависит от формы зе-
рен заполнителя и зернового (гранулометрического) состава.
2.4. ПОРИСТОСТЬ ЗЕРЕН ЗАПОЛНИТЕЛЯ
• Пористость представляет собой отношение суммарного объема
всех пор в зерне заполнителя к объему зерна. Обычно опреде-
ляют не пористость каждого зерна отдельно, а среднюю порис-
тость зерен в данной пробе заполнителя. Ее можно рассчитать
18
(%), если известны плотность зерен р3 и плотность вещества за-
полнителя р (г/см3):
Vnop=(l - Р3/Р) ЮО. (2.6)
Если в формулу (2.6) вместо р3 подставить плотность зерен
в цементном тесте, то получим не всю пористость, а ту ее часть,
которая в бетоне недоступна заполнению цементным тестом. Вы-
читанием ее из общей пористости найдем открытую пористость и
сможем определить дополнительный объем цементного теста, ко-
торый потребуется для заполнения открытых пор заполнителя в
бетоне.
2.5. ВЛАЖНОСТЬ И ВОДОПОГЛОЩЕНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
Пористость зерен является одним из главных факторов, опре-
деляющих возможную влажность и водопоглощение заполнителей.
• Для определения влажности w (в % по массе) пробу заполни-
теля взвешивают, затем высушивают до постоянной массы:
твл тсух .
W =-------------100,
исух
где твл — масса пробы в состоянии естественной влажности, г;
тсух — масса пробы в сухом состоянии, г.
• Чтобы найти водопоглощение таЕп.м ( в % по массе), пробу сухо-
го крупного заполнителя погружают в воду на 48 ч, на 1 ч или
на другое время в соответствии с техническими условиями или
технологическими требованиями, после чего извлекают, удаляют
воду с поверхности зерен и взвешивают:
где твас — масса пробы заполнителя, насыщенного водой, г.
Погрешность в результат испытания может внести операция
удаления воды с поверхности зерен. По ГОСТ 8269—76 поверх-
ность щебня или гравия протирают влажной мягкой тканью. По
ГОСТ 9758—86 для крупного пористого заполнителя предусмот-
рено определение водопоглощения с помощью перфорированного
контейнера. Контейнер с пробой заполнителя выдерживают в во-
де, после чего извлекают, подвешивают на 10 мин, в течение ко-
торых избыточная вода стекает, затем взвешивают и производят
расчет. Надежно отделить воду, удерживаемую на поверхности
зерен заполнителя, от воды, поглощенной внутренними порами,
трудно. Еще труднее провести такую операцию при определении
водопоглощения мелкого заполнителя. Поэтому для мелкого за-
полнителя (песка) такое испытание стандартами не предусмот-
рено.
19
По одному из стандартов США водопоглощение пористого пе-
ска определяют следующим образом. Пробу песка выдерживают
в воде, затем постепенно подсушивают в потоке теплого воздуха.
Периодически формуют из песка конус. Форму снимают, и если
конус не рассыпается, то продолжают сушку. Когда конус при
снятии формы начинает рассыпаться, считается, что межзерновая
и пленочная вода уже удалена, а осталась только поглощенная
порами. Тогда песок взвешивают, затем высушивают до постоян-
ной массы. Водопоглощение находят по разности масс подсушен-
ного и высушенного песка.
Наиболее надежные результаты по водопоглощению (водопо-
требности) песка можно получить при испытании его в бетоне.
В некоторых случаях водопоглощение крупного заполнителя
определяют в % по объему, т. е. как отношение объема погло-
щенной влаги к объему зерен заполнителя. Зная водопоглощение
в % по массе wBn. м и плотность зерен заполнителя р3, водопогло-
щение в % по объему вычисляют по формуле
Рз
И»ип О = ®Д„ м •
Ра
Значение щВп. о всегда меньше пористости зерен заполнителя
Кор, так как не все поры могут быть заполнены водой. Сопостав-
ление ьУвп. о и Упор дает возможность оценить, какая часть объе-
ма пор может быть заполнена водой.
2.6. ФОРМА ЗЕРЕН ЗАПОЛНИТЕЛЯ И ИХ ВЗАИМНАЯ
УКЛАДКА
• Насыпная плотность, пустотность и другие характеристики за-
полнителя в значительной степени определяются формой его зерен.
Впервые это показал наш соотечественник Б. Николаев в работе
«Состав растворов и бетонов в зависимости от размеров и формы
зерен материалов», вышедшей в 1914 г. Работа эта своим содер-
жанием предвосхитила идеи многих отечественных и зарубежных
исследований, в том числе опубликованных в последние годы.
Б. Николаев теоретически проанализировал геометрическую
структуру пространства, заполненного зернами сыпучего материа-
ла. В частности, если условно принять, что все зерна одинаковы
по форме и размерам, то в принципе возможна различная плот-
ность упаковки зерен в заданном объеме в зависимости от по-
рядка их укладки. Например, шары можно уложить рядами так,
чтобы линии, соединяющие их центры, образовали кубы (рис. 2.1,
а). Это будет наименее плотная укладка. Наиболее же плотная
соответствует такому взаимному расположению шаров, когда ли-
нии, соединяющие их центры, образуют тетраэдры (рис. ?,1, б).
Аналогичным образом можно представить наиболее и наименее
плотную укладку зереп другой формы.
20
Рис 2.1. Варианты укладки шаров
(в проекциях)
В табл. 2.2 приведены ре-
зультаты расчета пустотности
для различных правильных
многогранников и шаров (по
Б. Николаеву). При наименее
плотной укладке шары дают
меньшую пуетотнорть, чем дру-
гие зерна, а при наиболее
плотной — большую. Однако
как наиболее, так и наименее
плотные схемы укладки могут
рассматриваться лишь теоре-
тически, и пустотность будет
иметь те или иные промежу-
точные значения, определяе-
мые степенью уплотнения. В
среднем, как видно из табл.
2.2, при угловатой форме зе-
рен можно ожидать увеличе-
ния пустотности. Это еще в большей степени проявляется, если
кроме систем укладки правильных многогранников рассмотреть
варианты укладки, например, удлиненных параллелепипедов: при
наиболее плотной укладке они, как и кубы, полностью заполняют
объем, а при наименее плотной, когда будут взаимно касаться
только вершинами, дадут максимальную пустотность и тем боль-
шую, чем больше соотношение длины зерен и их толщины.
Таблица 2.2. Пустотность сыпучего материала в зависимости от формы зерен
Форма зерен Пустотность, %
при укладке средняя
наиболее плотной наименее плотной
Кубы 0 87,1 43,55
Октаэдры 12,1 83,9 48,05
• Додекаэдры 14,1 60.7 37.4
Икосаэдры 10,3 59,9 35,1
Шары 26,2 47,6 36,9
В действующих стандартах принято оценивать форму зерен за-
полнителей соотношением их размеров. Так, по ГОСТ 8269—76
определяют содержание в щебне и гравии пластинчатых (лещад-
ных) и игловатых зерен, толщина или ширина которых меньше
длины в 3 раза и более.
По ГОСТ 9758—86 для пористых заполнителей определяют ко-
эффициент формы зерен
^ф == ^яаиб/^ иаиы» (2.7)
21
Где Днаиб> Dнайм — соответственно наибольший и наименьший раз-
меры зерна, мм.
Для измерения зерен стандарты рекомендуют специальный пе-
редвижной шаблон или формомер.
Поскольку зерна заполнителей имеют неправильную форму и
поверхность их может быть сильно развитой, стандартный коэф-
фициент формы [см. (2.7)] не вполне ее характеризует. Поэтому
иногда пользуются другими коэффициентами. Например,
At> $зап/$шар> (2-8)
где «зап — удельная поверхность заполнителя, см2/г; «шар — удель-
ная поверхность шаров той же крупности, см2/г.
Факультативно в ГОСТ 8269—76 введен показатель формы зе-
рен щебня (%)
Ф=(«щ/«шар—1)100,
где «щ — удельная поверхность щебня, см2/г.
Для характеристики формы зерен заполнителей предложено
также понятие «минимального шарового слоя», т. е. слоя, огра-
ниченного вписанной и описанной сферами. Такая характеристика
может быть увязана с дополнительным расходом цементирующе-
го вещества в бетоне на «исправление» неправильности формы зе-
рен заполнителя.
Имеются и другие предложения по оценке формы зерен услов-
ными показателями. Кроме того, в последние годы развивается
теория стохастических упаковок зерен заполнителя, основанная на
статистических решениях формулируемых задач с помощью ЭВМ.
2.7. ЗЕРНОВОЙ СОСТАВ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
• Зерновой, или гранулометрический, состав заполнителя отража-
ет содержание в нем зерен разной крупности и определяется про-
сеиванием средней пробы заполнителя через стандартные сита.
Набор стандартных сит включает сита с размерами отверстий 0,16;
0,315; 0,63; 1,25; 2,5; 5; 10; 20; 40; 70 мм и др.
Заполнитель в первую очередь характеризуют наименьшей и
наибольшей крупностью. Наименьшей крупностью ДНаим принято
считать размер отверстий того из стандартных сит, на котором
при просеивании остается не менее 95 % пробы заполнителя (по
массе), т. е. сквозь которое пройдет не более 5 %. Наибольшей
крупностью Днаиб считают размер отверстий того сита, сквозь ко-
торое проходит не менее 95 % пробы заполнителя, а остается ме-
нее 5 %. Соответственно этому зерновой состав по наименьшей и
наибольшей крупности характеризуют, например, так: щебень
КруПНОСТЬЮ 5... 40 ММ (Днаим = 5 ММ; ДНаиб = 40 мм).
Заполнитель называют однофракционным, если наименыйая и
наибольшая крупность его зерен близки и представляют собой
22
размеры отверстий смежных сит стандартного набора: 5... 10,
10... 20, 20... 40 мм и т. д. Заполнитель крупностью, например,
5 ... 20 мм представляет собой смесь двух фракций.
Стандартами допускаются и в некоторых случаях эффективно
применяются более узкие фракции заполнителей, например 10 ... 15
или 15 ... 20 мм.
Пустотность заполнителя при смешении различных его фрак-
ций, как правило, уменьшается, так как относительно мелкие зер-
на могут разместиться в промежутках между более крупными и,
таким образом, более компактно заполнить объем. Поэтому очень
большое значение для смесей заполнителей имеет их зерновой со-
став.
Зерновой состав называется непрерывным, если при последова-
тельном просеивании пробы заполнителя через стандартный набор
сит (от сита с отверстиями Днанб до сита с отверстиями £>нанм) по-
лучают остатки на всех ситах, т. е. если в смеси заполнителя име-
ются зерна всех фракций от £>наим до £)наиб- Если же какие-либо
промежуточные фракции отсутствуют, то зерновой состав называ-
ют прерывистым. Пример прерывистого зернового состава — смесь
фракций щебня или гравия крупностью 5 ... 10 и 20 ... 40 мм (отсут-
ствует промежуточная фракция 10 ...20 мм).
В упомянутой работе Б. Николаева впервые было показано пре-
имущество заполнителя прерывистого зернового состава и обосно-
ваны рекомендации по подбору оптимальных смесей заполнителя
с минимальной пустотностью.
Представим объем, заполненный одинаковыми шарами. При
наиболее плотной укладке шаров пустотность составит около 26 %.
Уменьшить пустотность можно, разместив между имеющимися ша-
рами в середине воображаемых тетраэдров (см. рис. 2.1, б) — ша-
ры меньших размеров. Если эти добавочные шары будут хоть не-
много крупнее, чем требуется, то они не уместятся между более
крупными шарами основной системы и раздвинут их. В результа-
те пустотность всей системы может увеличиться.
Подобрав несколько требуемых размеров, можно последова-
тельным заполнением промежутков между более крупными шара-
ми значительно уменьшить пустотность. Число шаров каждой круп-
ности должно быть строго определенным, поскольку избыток
какой-либо фракции может привести к раздвижке системы и уве-
личению пустотности так же, как описано выше для случая увели-
чения крупности.
Однако такая теоретически возможная картина практически мо-
жет быть воссоздана лишь при постепенной упорядоченной уклад-
ке зерен. Если же все зерна перемешать и засыпать в сосуд опре-
деленной вместимости (как это практикуется в технологии бетона),
ожидаемая плотность укладки не будет достигнута. Добавочные
шары, которые могли бы уместиться между крупными шарами
основной системы, не смогут попасть на свои места.
23
Если плотно уложить шары основной системы, то пройти сквозь
эту систему и заполнить ее пустоты могут, как рассчитал Б. Нико-
лаев, только шары, диаметр которых менее 0,154 диаметра шаров
основной системы. Иными словами, наиболее плотная смесь двух
фракций заполнителя достигается в том случае, если размер зерен
одной из лих примерно в 6,5 раза меньше размера зерен другой.
Наличие зерен промежуточных размеров нежелательно.
Заполнители с прерывистым зерновым составом находят огра-
ниченное применение, однако область их использования в техно-
логии бетона расширяется.
2.8. УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
Зерна заполнителя в бетонной смеси обволакиваются цемент-
ным тестом. Естественно, что расход последнего связан с суммар-
ной площадью поверхности заполнителя.
• Удельной поверхностью (точнее удельной площадью поверхно-
сти) называют суммарную площадь поверхности заполнителя, от-
несенную к его массе (см2/г):
где 25, — сумма площадей поверхности зерен пробы заполнителя,
см2; Sm, — суммарная масса зерен, т. е. масса пробы заполнителя,
для которой определялась суммарная поверхность, г.
Обычно удельная поверхность выражается в см2/г или м2/кг.
В некоторых случаях удобнее выражать ее в см2/см3 или м2/м3,
т. е. как отношение поверхности зерен к их объему или отношение
суммарной поверхности зерен к объему, занимаемому заполните-
лем в засыпке.
Удельная поверхность зависит от формы зерен и их крупности.
Зависимость от формы зерен можно проследить на примере сопо-
ставления зерен в форме шара и куба.
Рассмотрим шар и куб одинаковой массы или, что то же самое,
одинакового объема. Из равенства объемов nd3/6=a3 (d— диа-
метр шара; а — ребро куба) вытекает: a=0,806d.
Площадь поверхности куба Д=6 а2=6(0,806 d)2=3,9 d2, а по-
верхность шара равна 3,14 d2, т. е. площадь поверхности зерен в
форме куба больше на 24 % [коэффициент формы кф по форму-
ле (2.8) равен 1,24]. Чем более угловаты зерна заполнителя, тем
больше их удельная поверхность.
Интересно сравнить суммарную площадь поверхности различ-
ных заполнителей в насыпном состоянии. В табл. 2.3 приведены
результаты расчета суммарной площади поверхности совокупности
одинаковых шаров или кубов в одинаковом объеме засыпки. Пока-
затели даны в относительных единицах, причем за 100 % принята
суммарная площадь поверхности шаров при наиболее плотной
24
укладке. Хотя в среднем суммарная площадь поверхности углова-
тых зерен по отношению к объему засыпки несколько больше, не-
обходимо обратить внимание на возможность обратной картины
при реальных случаях неплотной, рыхлой укладки зерен в засып-
ке; суммарная площадь поверхности округлых зерен может ока-
заться большей, чем угловатых.
Таблица 2.3. Зависимость суммарной площади поверхности зерен от их формы
Форма зерен Суммарная площадь поверхности, %
при укладке средняя
наиболее плотной наименее плотной
Шары 100 71 86
Кубы 164 21 93
Рассмотрим зависимость удельной поверхности от крупности
зерен заполнителя. Отношение площади поверхности зерна к его
объему (и соответственно к массе):
для шара
nd2/(nd3/6)=6/d;
для куба
6a2/a3=6(0,806rf)2/(0,806cZ)3^7,4/d и т. д.
Размер зерна оказывается в знаменателе дроби: чем он меньше,
тем удельная поверхность больше, причем зависимость здесь ли-
нейная. Например, для заполнителя при размере зерен 2 мм она
в 5 раз больше, чем при размере зерен 10 мм, в 10 раз больше,
чем при размере зерен 20 мм, и т. д. Естественно, что определение
удельной поверхности представляет наибольший интерес для мел-
кого заполнителя.
В действующих стандартах нормы удельной поверхности запол-
нителя не регламентируются. Однако в ГОСТ 8735—75 приведен
факультативный метод определения ее для песка в пневматическом
поверхностемере косвенно по его воздухопроницаемости, для щеб-
ня (ГОСТ 8269—76) по скорости фильтрации воды в гидравличе-
ском поверхностемере.
Удельная поверхность заполнителя может быть также опреде-
лена прямым определением по адсорбции какого-либо вещества
или по способности заполнителя удерживать на своей поверхности
пленку парафина или иной жидкости стабильной толщины. Однако
подобные методы пока недостаточно разработаны, поэтому часто
вместо определения удельной поверхности заполнителя эксперимен-
тальным путем производят ее вычисление по результатам анализа
зернового состава и формы зерен.
25
2.9. СТРУКТУРА ЗАПОЛНИТЕЛЯ
Вещество, из которого состоят зерна заполнителя, может иметь
структуру аморфную или кристаллическую и, кроме того, плот-
ную или пористую. Рассмотрим эти два типа структурных разли-
чий в общем виде.
Аморфная структура материала определяет его изотропность,
т. е. свойства такого материала во всех направлениях одинаковы.
Это положительный фактор, поскольку в технологии бетона обыч-
но нельзя управлять пространственной ориентацией зерен заполни-
теля и они располагаются случайно.
Кристаллы в принципе анизотропны, что проявляется в нерав-
номерности температурных деформаций и в других нежелательных
эффектах. Однако если кристаллы мелки по сравнению с разме-
рами зерен заполнителя и располагаются в материале беспорядоч-
но, как чаще всего и бывает, то зерна заполнителя практически
можно считать изотропными. Поэтому из кристаллических камен-
ных пород для заполнителей предпочтительны мелкозернистые.
Пористые материалы также могут быть изотропными и анизо-
тропными. В данном случае анизотропность может быть связана
с направленностью пор. Примером явно анизотропного пористого
материала может служить древесина. Структура ее волокнистая;
свойства материала вдоль волокон и поперек отличаются.
Рассмотрим две принципиально различающиеся структуры изо-
тропных материалов: ячеистую и зернистую.
• Ячеистая структура характеризуется тем, что в сплошной среде
твердого материала поры распределены по всему объему в виде
отдельных замкнутых (или условно-замкнутых) ячеек (рис. 2.2, а),
зернистая структура — совокупность склеенных между собой зерен
твердого материала (рис. 2.2, б). Пористость в данном случае не-
прерывна и аналогична пустотности сыпучего материала. Крупность
зерен такого материала, так же как и размеры пор в ячеистом ма-
териале, может быть различной, но при этом всегда проявляются
Рис. 2.2. Основные виды структур пористых матери-
лов
26
характерные для той или иной структуры особенности. Например,
водопоглощение материалов зернистой структуры, как правило,
больше. Ячеистые материалы менее проницаемы и более прочны.
Примерами заполнителей с ячеистой структурой могут служить
природная пемза или искусственные пористые заполнители, полу-
чаемые вспучиванием исходного сырья. К заполнителям с зерни-
стой структурой можно отнести щебень из пористого известняка,
ракушечника, туфов, кирпичный щебень и т. д.
На практике материалы с той или иной структурой в чистом
виде встречаются редко: межпоровый материал при ячеистой
макроструктуре может быть пронизан капиллярами или быть зер-
нистым в микроструктуре; в зернистом материале могут быть эле-
менты ячеистой структуры, если, например, в период формова-
ния материала отдельные зерна сблизились и поры между ними
замкнулись.
2.10. ПРОЧНОСТЬ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
• Прочность исходной породы определяют в том случае, когда за-
полнитель получают дроблением горных пород. Для этого с по-
мощью бурильного или камнерезного станка изготовляют образцы
в виде цилиндра диаметром и высотой 40 ... 50 мм или куба с та-
ким же размером ребра, испытывают их на сжатие на гидравли-
ческом прессе в насыщенном водой состоянии и определяют пре-
дел прочности (МПа):
где Р— разрушающее усилие пресса, МН; А — площадь попереч-
ного сечения образца, м2.
Однако далеко не всегда такое испытание возможно. В ряде
случаев исходная горная порода (или полуфабрикат в производ-
стве искусственных заполнителей) бывает ослаблена крупными
порами или трещинами. Щебень, полученный дроблением такой по-
роды, может быть достаточно прочным, особенно мелкие его фрак-
ции, зерна которых в процессе дробления избавляются от ослаб-
ляющих дефектов, свойственных породе в макрообъеме. При ис-
пытании же сравнительно крупных стандартных образцов могут
быть получены заниженные прочностные показатели, не отражаю-
щие действительного качества щебня. По данным Р. Л. Маиляна,
прочность щебня из карбонатных горных пород может превышать
прочность стандартных образцов из этих пород в несколько раз.
Потребитель, получающий готовый щебень и желающий прове-
рить его прочность, не всегда может получить образцы исходной
породы для испытания, а заполнители в виде гравия вообще, как
правило, невозможно непосредственно испытать на прочность при
сжатии. Поэтому действующие стандарты предусматривают косвен-
ное определение прочности заполнителей посредством условных
27
механических испытаний. Так, для щебня из естественного камня,
гравия и щебня из гравия предусмотрено определение дробимости
при сжатии (раздавливании) в стальном цилиндре.
Методика испытания состоит в следующем. Однофракционный
щебень или гравий засыпают в стальной цилиндр с внутренним
диаметром 150 мм. Сверху в цилиндр вставляют стальной пуансон
несколько меньшего диаметра (148 мм) и через него на гидравли-
ческом прессе сдавливают засыпанный в цилиндр заполнитель уси-
лием 200 кН. В результате проба заполнителя частично дробится.
После этого пробу высыпают из цилиндра и взвешивают, затем
просеивают через сито с размером отверстий, вчетверо меньшим,
чем наименьший номинальный размер зерен испытуемой фракции
заполнителя (0,25 £)Наим); для фракции 5... 10 мм используют сито
с отверстиями 1,25 мм; для фракции 10... 20 мм — 2,5 мм; для
фракции 20 ... 40 — 5 мм. Таким образом удаляют из пробы надро-
бившуюся мелочь, а остаток на сите взвешивают. Показатель дро-
бимости (%)
Dp= m~mi юо,
т
где т — масса всей испытанной пробы, г; mi — масса остатка на
контрольном сите после испытания, г.
Для пористых заполнителей используют аналогичную методику
испытаний сдавливанием в цилиндре, хотя оценка результатов ис-
пытания производится иначе. Пористый щебень или гравий одно-
фракционного состава засыпают в цилиндр с внутренним диамет-
ром 150 мм на высоту 100 мм, разравнивают и затем вставляют
в цилиндр специальный пуансон с рисками, фиксирующими поло-
жение пуансона по отношению к цилиндру. До испытания нижняя
риска на пуансоне должна совпадать по уровню с верхним краем
цилиндра.
Затем на гидравлическом прессе пробу заполнителя сдавлива-
ют через пуансон сжимающей нагрузкой до момента погружения
пуансона на 20 мм (до верхней риски) и отмечают показание стрел-
ки манометра пресса. Таким образом определяют нагрузку, необ-
ходимую для сдавливания пробы заполнителя на '/s часть зани-
маемого пробой объема. Предел прочности (МПа) при сдавлива-
нии в цилиндре
си=Р/А,
где Р — нагрузка при погружении пуансона до верхней риски, МН;
А — площадь поперечного сечения цилиндра, .4 = 0,0177 м2.
В ходе испытания необходимо следить за тем, чтобы насыпная
плотность заполнителя в цилиндре соответствовала результату ее
определения в стандартном мерном сосуде, не отличалась от него
более допускаемого стандартом.
28
Предел прочности при сдавливании в цилиндре представляет
условную относительную характеристику заполнителя. При сдав-
ливании нагрузка передается фактически не на всю площадь сече-
ния цилиндра, а только через отдельные точки контакта между
зернами. Поэтому при делении нагрузки на площадь поперечного
сечения цилиндра прочность заполнителя значительно занижается.
В такой же мере условно и описанное выше испытание на дроби-
мость.
Результаты подобных испытаний зависят не только от действи-
тельной прочности заполнителя, но и от формы его зерен. Поэто-
му прочность различных видов заполнителей нельзя сравнивать
по результатам сдавливания в цилиндре или испытаний на дроби-
мость.
Прочность заполнителей зависит от их плотности и структу-
ры. На основе анализа результатов многочисленных исследований
горных пород, заполнителей и других материалов С. М. Ицковичем
предложена следующая достаточно общая зависимость:
^=^i(p/Pi)n, (2-9)
где /?1 — установленный опытным путем предел прочности мате-
риала плотностью pr, р — плотность материала (плотность зерен
заполнителя), соответствующая прочности R; п — показатель сте-
пени, значение которого зависит от структуры материала.
Величина /?1/р1=Д— параметр данного материала, численно
равный его прочности при плотности, равной единице. Значение ее
может быть различно, например, для известняка, стекла, керами-
ки и т. д. Поэтому выражение (2.9) можно записать в виде
/?=Лрл, (2-10)
т. е. прочность пористого материала пропорциональна его плотно-
сти.
Показатель степени п для материалов ячеистой структуры (см.
рис. 2.2, а) можно принять равным 2. Таким образом, прочность
пористых материалов ячеистой структуры описывается уравнением
квадратной параболы. Если, например, за счет повышения пори-
стости плотность материала уменьшится вдвое, то прочность его
при этом снизится вчетверо. Аналогичным образом, если плотность
подобного материала повысить на 10 %, то его прочность возра-
стет на 21 % (1,102=1,21).
Для материалов зернистой структуры (см. рис. 2.2, б) показа-
тель степени п зависит от формы составляющих материал зерен
И прочности их контактов. По опытным данным, для различных
материалов п—3... 6, а в среднем составляет около 4. Таким об-
разом, прочность пористых материалов зернистой структуры опи-
сывается уравнением параболы четвертого или иных высоких по-
рядков.
29
Рис. 2 3 Зависимость относительной
прочности /?отн от относительной плотно-
ности роти:
1 — для материалов ячеистой структуры
(квадратная парабола); 2 — для материалов
зернистой структуры (парабола четвертого
порядка)
Отличие материалов зер-
нистой и ячеистой структур
можно проследить по влия-
нию плотности материалов
на их прочность (рис. 2.3).
При одинаковой относитель-
ной плотности прочность
материала зернистой струк-
туры значительно ниже, чем
ячеистой. Так, уменьшение
плотности вдвое будет со-
провождаться падением
прочности уже не вчетверо,
а в 16 раз.
Поэтому наряду с пори-
стостью исходных материа-
лов для получения заполни-
телей необходимо оценить
также и ее характер, опре-
деляемый их структурой
(строением).
2.11. ВОДО- И МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
Как указано выше, прочность образцов исходной горной поро-
ды определяют в насыщенном водой состоянии. Это связано с тем,
что насыщение материала водой, как правило, снижает его проч-
ность Данное явление, объясняемое расклинивающим действием
воды в порах и микротрещинах, ослаблением связей между части-
цами материала и другими факторами, для большинства применяе-
мых заполнителей не сильно выражено, но для некоторых разно-
видностей может быть значительным.
Поэтому во всех случаях при прямом или косвенном (в цилинд-
ре) определении прочности целесообразно испытывать заполните-
ли в высушенном и водонасыщенном состояниях с сопоставлением
результатов и вычислением коэффициента размягчения:
^’р °нас/°сух>
где (Тнас — предел прочности заполнителя или исходной горной по-
роды в насыщенном водой состоянии; trcyx — то же, в сухом со-
стоянии при той же методике испытания.
• Коэффициентом размягчения характеризуют водостойкость за-
полнителя. Водостойкость связана с водопоглощением и природой
вещества заполнителя. Водопоглощение, в свою очередь, связано
с пористостью и структурой материала.
30
• Эти же факторы в основном определяют и морозостойкость за-
полнителя, т. е. его способность выдерживать в насыщенном во-
дой состоянии многократное попеременное замораживание и оттаи-
вание.
Испытание на морозостойкость производят следующим образом.
Пробу крупного заполнителя однофракционного зернового состава
взвешивают в-сухом состоянии, затем в перфорированном сосуде в
течение 48 ч насыщают водой в ванне при температуре (20+3) °C.
После насыщения сосуд с пробой заполнителя извлекают из ванны,
дают воде стечь и помещают его в морозильную камеру. Для за-
полнителей из плотного естественного камня температура замора-
живания установлена в пределах от —17 до —25 °C, для пористых
заполнителей — от —15 до —20 °C. Столь низкая температура за-
мораживания необходима потому, что в мелких порах и капилля-
рах материала под воздействием адсорбционных сил температура
замерзания воды понижается.
Выдержав в морозильной камере при требуемой температуре
4 ч, сосуд с заполнителем снова переносят в ванну с водой на 4 ч,
а затем опять в морозильную камеру, и так до требуемого числа
циклов, предусмотренного соответствующими стандартами на тот
или иной заполнитель. После этого пробу заполнителя высушива-
ют и просеивают через сито с отверстиями, соответствующими ми-
нимальным размерам зерен испытуемой фракции, т. е. через сито,
на котором перед испытанием проба оставалась полностью.
Потеря массы (%) после испытания на морозостойкость
где mi — масса пробы до испытания, г; т2 — масса остатка на си-
те после испытания на требуемое число циклов замораживания и
оттаивания, г.
Потерю массы сравнивают с допускаемой для данного запол-
нителя по стандарту.
Аналогичное по физическому воздействию на заполнитель, но
ускоренное испытание производят попеременным насыщением про-
бы заполнителя в растворе сернокислого натрия и высушиванием
в сушильном шкафу при температуре 105... ПО °C. В этом случае
после предусмотренного числа циклов пробу промывают горячей
водой для удаления сернокислого натрия, высушивают, просеива-
ют через сито и определяют потерю в массе так же, как после ис-
пытания на морозостойкость.
112. ИСПЫТАНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЯ В БЕТОНЕ
Многие из вышеописанных испытаний заполнителей условны и
не всегда дают надежные сведения об ожидаемом эффекте их ис-
пользования в бетоне. Включены же эти испытания в действующие
31
стандарты главным образом потому, что методы их проведения
сравнительно просты и доступны производственным лабораториям
для систематического массового контроля качества материалов.
Это в основном так называемые экспресс-методы для оперативно-
го контроля, очень полезного и необходимого, хотя часто поверх-
ностного и не совсем точного.
В то же время стандарты предполагают проведение при необ-
ходимости испытаний заполнителей в бетоне как более надежных.
Например, по ГОСТ 10268—80 в случае получения неудовлетво-
рительных результатов при испытании заполнителя на морозостой-
кость проверяют морозостойкость бетона на этом заполнителе.
• Исследование заполнителей в бетоне предусмотрено стандарта-
ми для выявления их стойкости в среде цементного камня, корро-
зионного действия и в других случаях. Испытание в бетоне дает
важную дополнительную информацию, особенно в сочетании с дру-
гими методами. В частности, определив плотность зерен заполни-
теля р3 по формулам (2.1) или (2.5) и р3ц-т по формулам (2.2)
или (2.3), можно найти относительный объем открытых пор, ко-
торые в бетоне заполняются цементным тестом:
Уо _ Рз'т ~ Рз
V р«-т
‘3
где Ис — объем открытых пор в зернах заполнителя, см3; V — сум-
марный объем зерен заполнителя, см3.
Относительный объем открытых пор в некоторых заполнителях
достигает 20 ... 25 %, поэтому расчет состава бетона без учета до-
полнительной потребности в цементном тесте может привести к
уменьшению выхода бетонной смеси из замеса и изменению свойств
по сравнению с требуемыми.
Очень важной технологической характеристикой заполнителей
является их водопотребность, т. е. расход воды, физически связы-
ваемой заполнителем в бетонной смеси (необходимой для смачи-
вания поверхности заполнителя и заполнения открытых пор). Да-
же кварцевый песок с плотными зернами обладает значительной
водопотребностью, тем более пористые заполнители.
Нередко в технологии бетона рекомендуют добавлять воду ис-
ходя из водопоглощения заполнителей в обычных стандартных ус-
ловиях за 10 ... 15 мин или же принимать 50 %-ную или иную долю
стандартного водопоглощения за 1 ч. Такие приемы ненадежны.
Значительно надежнее испытание заполнителя в бетоне.
Б. Г. Скрамтаевым и Ю. М. Баженовым был предложен метод
определения водопотребности заполнителей, основанный на подбо-
ре смесей одинаковой подвижности с испытуемым заполнителем и
без него. Для определения водопотребности песка готовят цемент-
но-песчаный раствор состава 1 : 2 (по массе) и добавляют воду до
тех пор, пока расплыв конуса на встряхивающем столике по ГОСТ
32
310.4—81 не окажется таким же, как расплыв цементного теста
нормальной густоты без песка.
Водопотребность песка (%)
(В/И)р-(В/Ц)ц
В= 100,
" 2
где (В/Ц)Р—--водоцемептное отношение цементно-песчаного ра-
створа; (В/Ц)ц — водоцементное отношение цементного теста нор-
мальной густоты; 2 — соответствует числу частей заполнителя, при-
ходящихся на 1 ч. цемента в приготовленном растворе.
В ГОСТ 9758—86 эта методика включена с небольшими изме-
нениями для определения водопотребности пористого песка.
Подобным образом определяют водопотребность крупного за-
полнителя. В этом случае подвижность бетонной смеси подбирают
такую же, как подвижность растворной смеси.
Водопотребность крупного заполн -пеля (%)
щ 3,5
где (В/Ц)б — водоцементное отношение бетонной смеси; 3,5 — от-
ражает расход крупного заполнителя (состав бетонной смеси по
массе — 1:2: 3,5).
Если заполнители характеризуются высоким водопоглощением,
то рекомендуется подвижность смесей определять дважды: сразу
после приготовления замеса и через 30 мин. Во втором случае при
необходимости добавляют воду, компенсируя поглощенную запол-
нителем. Таким образом определяют водопотребность заполнителя,
включая его водопоглощение в бетонной смеси за 30 мин.
Методика определения водопотребности пористых заполнителей,
основанная, как и вышеописанные, на сопоставлении смесей оди-
наковой подвижности, была разработана А. А. Аракеляном.
С точки зрения формирования структуры цементного камня в
бетоне наибольший интерес представляет водопоглощение запол-
нителя за время от момента затворения водой бетонной смеси до
конца схватывания. От того, сколько воды останется в цементном
тесте к концу периода формирования структуры, зависят прочность
и другие важнейшие свойства бетона.
Методика, разработанная в МИСИ им. В. В. Куйбышева
Г. И. Горчаковым и его сотрудниками, основана на сравнении пе-
риода формирования структуры бетона на данном заполнителе и
цементе с периодом формирования структуры цементного теста,
приготовленного на том же цементе.
В первую очередь исследуют цемент: готовят тесто при разных
В/Ц и определяют скорость прохождения ультразвука. Сначала
она мала и незначительно изменяется со временем, но наступает
момент (чем больше В/Ц, тем позже), когда скорость ультразвука
2—462 33
резко увеличивается (цементное тесто превращается в цементный
камень). Фиксируя этот момент, строят эталонный график зависи-
мости продолжительности периода формирования структуры
цементного теста от В/Ц. Затем готовят бетонную смесь на испы-
туемом заполнителе и по скорости прохождения через нее ультра-
звука определяют продолжительность периода формирования
структуры, что позволяет найти по эталонному графику истинное
водоцементное отношение цементного теста (цементного камня) в
бетоне.
Зная истинное В/Ц и общий расход воды, легко найти долю во-
ды, приходящейся на заполнитель. Столько воды надо будет до-
бавлять в бетонную смесь в дополнение к тому расходу, который
необходим для получения в бетоне цементного камня требуемой
прочности.
Часто заполнитель приходится испытывать в бетоне для оценки
его прочности, поскольку описанные выше стандартные методы не-
достаточно ее характеризуют.
ГОСТ 10268—80, устанавливая минимальные марки по проч-
ности щебня и гравия для тяжелых бетонов, предусматривает в
ряде случаев определение пригодности заполнителей по результа-
там их испытания в бетоне. Методика испытания стандартом не
оговорена. Обычно заполнитель считают пригодным, если бетон
требуемой прочности получается при нормируемом расходе це-
мента.
Способ испытания крупного заполнителя в бетоне, разработан-
ный в НИИЖБе, предполагает предварительный расчет по фор-
мулам водоцементного отношения для получения бетона требуемой
прочности на цементе известной (и достаточно высокой) активно-
сти. По этому способу испытывают бетонные образцы с различным
расходом испытуемого заполнителя. В одной серии опытов бетон-
ную смесь почти максимально насыщают крупным заполнителем,
расходуя 900 ... 950 л/м3 («контактное» расположение заполнителя),
в другой — испытуемого заполнителя дается меньше—не более
750 л/м3 («плавающее» расположение). Если в обоих случаях рас-
четная прочность бетона будет достигнута, то заполнитель можно
применять в бетоне данной марки без ограничений. Если же проч-
ность бетона окажется ниже требуемой, то заполнитель признают
непригодным. Наконец, если требуемая прочность бетона дости-
гается при «плавающем» расположении заполнителя, но не дости-
гается при «контактном», то расход такого заполнителя для по-
лучения бетона требуемой прочность ограничивают.
Согласно ГОСТ 22263—76, щебень и песок из пористых горных
пород предписано испытывать в бетоне по следующей методике.
Готовят три бетонных замеса заданных стандартом составов, от-
личающихся расходом цемента. По результатам испытания образ-
цов строят график зависимости предела прочности и плотности бе-
тона от расхода цемента. По этому графику определяют расход
34
Рис. 2.4 Зависимость прочности бетона /?б от проч-
ности раствора (по А. И. Ваганову):
1 — наиболее экономичные составы, 2 — менее экономичные
составы; 3 — неэкономичные составы
цемента, необходимый для получения бетона с требуемыми свой-
ствами, и если он не выше нормативного, заполнитель признают
пригодным.
Рациональный метод оценки качества крупного заполнителя
предложил А. И. Ваганов в 1954 г. применительно к керамзиту.
Сущность его состоит в нахождении опытным путем зависимости
прочности бетона на данном крупном заполнителе от прочности его
растворной части (т. е. от прочности того же бетона, но без испы-
туемого заполнителя). Эта зависимость показывает роль крупного
заполнителя в формировании прочности бетона и дает возможность
установить, для каких марок бетонов данный заполнитель целесо-
образно использовать (рис. 2.4). А. И. Ваганов установил, что
связь между прочностью бетона на данном крупном заполнителе
и прочностью растворной части бетона не зависит от состава ра-
створа, В/Ц, продолжительности твердения и других технологиче-
ских факторов. Все эти факторы, конечно, влияют на прочность
раствора, но таким же образом влияют и на прочность бетона, так
что зависимость, изображенная на рис. 2.4, инвариантна качеству
растворной части и связана лишь с содержанием и свойствами ис-
пытуемого в бетоне крупного заполнителя.
В своих опытах А. И. Ваганов отдельно готовил и испытывал
образцы из раствора и бетона. В обоих замесах выдерживались
постоянные для каждой серии опытов соотношения цемента и пе-
ска, В/Ц, но в бетоне несколько увеличивался расход воды с уче-
том поглощения ее крупным заполнителем (керамзитом). Однако
нельзя точно предсказать расход воды, впитываемой заполнителем
из бетонной смеси, поэтому добавка воды в бетонную смесь может
привести к существенным погрешностям: раствор в отдельных об-
2* 35
Рис. 2 5 Результаты испытания в бето-
не аглопорита одного из минских заво-
дов
(штриховой линией со стрелками показана
последовательность расчета роста прочности,
пояснения в тексте гл. 4)
опытов готовят из одного замеса.
разцах и растворная часть в
бетоне могут оказаться не
идентичными. В этом был один
из недостатков методики. Кро-
ме того, методика не давала
количественной оценки проч-
ности заполнителя, поскольку
А. И. Ваганов пытался объяс-
нить получение бетона той или
иной прочности благоприят-
ным или неблагоприятным со-
отношением деформативных
свойств керамзитового запол-
нителя и раствора. Собствен-
ную прочность керамзита в то
время считали заведомо ма-
лой, ориентируясь па резуль-
таты его испытания в цилинд-
ре (см. § 2.10).
С. М. Ицковичем в 1961 г.
была разработана методика
испытания пористых заполни-
телей в бетоне, развивающая
идею А. И. Ваганова. В дан-
ном случае бетонные и раст-
ворные образцы каждой серии
Бетонную смесь после тщатель-
ного перемешивания и выдержки (для стабилизации процесса
водопоглощения испытуемого крупного заполнителя) делят на две
части, из одной формуют бетонные образцы — кубы, а другую
просеивают через сито, отделяя от крупного заполнителя раствор-
ную часть бетонной смеси для формования растворных образцов.
При такой технологии идентичность качества раствора в образ-
цах и в бетонной смеси обеспечивается более надежно, чем при
раздельном приготовлении.
На рис. 2.5 показаны результаты испытания в бетоне искусст-
венного пористого заполнителя — аглопорита. Часть опытных то-
чек расположилась на графике выше диагонали, т. е. прочность
аглопоритобетона оказалась выше прочности входившего в его со-
став раствора. Другая часть опытных точек — в области высоких
показателей прочности — расположилась ниже диагонали, т. е.
прочность аглопоритобетона оказалась ниже прочности раст-
вора.
Данный график не только иллюстрирует эффективность приме-
нения испытанного заполнителя в бетонах той или иной заданной
прочности, но и дает возможность найти фактический предел проч-
ности заполнителя R3. Последний соответствует точке на графике,
36
где опытная кривая пересекает диагональ при равной прочности
бетона и раствора.
Цель всех ранее описанных методов состояла лишь в опреде-
лении пригодности заполнителя для получения бетона требуемой
прочности. Предлагаемая методика позволяет получать количе-
ственное выражение прочности заполнителя в бетоне, объектив-
ную характеристику заполнителя, которую можно использовать при
расчете ожидаемой прочности бетона.
Испытав таким же образом заполнители разной прочности,
можно получить на графике ряд подобных кривых и далее исполь-
зовать этот график в качестве номограммы, облегчающей испыта-
ние новых заполнителей. При этом достаточно изготовить и испы-
тать на прочность одну серию образцов из бетона и раствора, что-
бы по кривой, на которую попадает нанесенная на номограмму
опытная точка, определить искомую прочность заполнителя. Такая
методика испытания пористых заполнителей на прочность в бетоне
предусмотрена ГОСТ 9758—86 и рекомендована для определения
качества заполнителя в лабораториях потребителей и при оценке
качества сырья, предназначенного для получения пористых запол-
нителей.
При получении данных для рис. 2.5 в замесах бетонной смеси
во всех опытах (каждая серия опытов дала на графике одну точ-
ку) выдерживалось постоянным объемное содержание крупного за-
полнителя. Возможен и другой подход: с определением прочности
бетона при различном содержании в нем заполнителя.
Во ВНИИЖелезобетона исследован бетон с различным содер-
жанием крупного заполнителя (керамзита): 0,3 и 0,5 соответствен-
но при объемной доле раствора 0,7 и 0,5. Приведенными на рис. 2.6
данными можно воспользоваться для определения прочности при-
мененного в опытах керамзита: она соответствует точке пересече-
ния кривых. Действительно, если изменение дозировки крупного
заполнителя при данной прочности раствора не влияет на проч-
ность бетона, то прочность заполнителя равна прочности раствора.
По методике, разработанной в Куйбышевском инженерно-строи-
тельном институте, керамзит испытывают в гипсобетонных образ-
цах разного возраста и получают зависимость предела прочности
бетона от времени твердения. Аналогичную зависимость получают
для чисто гипсовой отливки (без керамзита). Точка пересечения
на графике двух кривых соответствует прочности керамзита
(рис. 2.7).
В ВНИИнеруд разработала методика испытания тяжелого щеб-
ня или гравия в бетоне, состоящая в сравнении прочности бетона
на данном заполнителе с прочностью раствора при таких же В/Ц,
т. е. в сущности и эта методика базируется на вышеизложенной
идее.
Для расчета свойств бетона бывает необходимо знать такие ха-
рактеристики заполнителей, как модуль упругости, теплопровод-
37
Рис. 2.6. Результаты испытания в бе-
тоне керамзита одного из московских
заводов при объемной доле керамзи-
та 0,3 (кривая /) н 0,5 (кривая 2)
Рнс. 2.7. Результаты испытания ке-
рамзита одного из заводов Куйбы-
шевской области:
1 — кривая роста прочности образцов нз
гипса, 2 — то же, нз гипсокерамзитобетоиа
ность. Определение их непосредственным испытанием отдельных
зерен затруднительно и не дает надежных результатов. С. М. Иц-
ковичем разработана методика определения этих свойств в бетоне,
состоящая в том, что испытывают образцы из бетона на данном
заполнителе и из раствора, отсеянного из части бетонного замеса,
а затем производят расчет по теоретическим формулам.
Модуль упругости заполнителя (МПа)
(2-П)
где Ев и Ер — модули упругости соответственно бетона и раствора,
МПа; у, — объемное содержание крупного заполнителя в бетоне.
Теплопроводность заполнителя (Вт/(м-°С))
(2-12)
где Хб и ХР — теплопроводность соответственно бетона и раствора,
Вт/(м-°С).
38
Помимо описанных выше имеется ряд других показателей ка-
чества заполнителей. Это предусмотренные стандартами стойкость
заполнителей против распада, содержание слабых зерен, пылевид-
ных, илистых, глинистых и органических примесей, минерало-петро-
графический состав и др.
2.13. ОДНОРОДНОСТЬ ЗАПОЛНИТЕЛЯ
• Общим для всех заполнителей требованием является однород-
ность, т. е. постоянство свойств и показателей качества заполните-
лей от пробы к пробе, от партии к партии, обеспечивающее ста-
бильность работы заводов и гарантированного качества получае-
мого бетона.
Испытав небольшую пробу заполнителя, по полученным резуль-
татам оценивают его качество в пределах всей партии, объем ко-
торой может составлять, например, 500 м3. Чтобы избежать при
этом больших ошибок, стандарты рекомендуют определенные пра-
вила отбора проб для испытаний. Например, из разных мест шта-
беля, бункера, вагона или судна вначале отбирают 10 ... 15 частич-
ных проб, затем их тщательно перемешивают, получая таким об-
разом среднюю, представительную пробу. Поскольку она по объе-
му больше, чем требуется для испытаний, ее делят по предусмот-
ренным стандартами правилам. Чаще всего при этом прибегают к
квартованию, состоящему в следующем.
Пробу заполнителя укладывают на горизонтальной поверхности
в виде диска, делят по двум взаимно перпендикулярным диамет-
ральным плоскостям на четыре равные части, две любые противо-
положные четверти отбрасывают, остаток же после перемешивания
вновь укладывают в виде диска и делят последовательным квар-
тованием до получения требуемого объема. Для сокращения объе-
ма средней пробы стандарты рекомендуют также специальное
устройство — желобчатый делитель.
Все стандартные испытания заполнителей повторяют по
2 ... 5 раз, а показатели качества вычисляют как средние из полу-
ченных результатов параллельных испытаний.
Чтобы лучше понять требования стандартов и применяемые ме-
тоды оценки качества заполнителей, рассмотрим некоторые эле-
ментарные положения теории вероятностей и математической ста-
тистики.
Прежде всего отметим, что все методы испытания, будь то взве-
шивание, измерение размеров и другие, неточны и сопряжены с
погрешностями. Последние бывают вызваны несовершенством при-
боров, непостоянством условий, субъективными факторами и мно-
гими неизвестными причинами.
Ошибки в результатах опыта можно разделить на три группы:
систематические, случайные и промахи.
39
Систематические ошибки имеют закономерную направленность.
Например, если масса гири меньше номинальной, результаты взве-
шивания всегда будут занижены. Подобные ошибки в той или иной
степени можно устранить или компенсировать поправками.
Случайные ошибки проявляются в отклонениях от истинных зна-
чений измеряемой величины, причем вероятность завышения или
занижения результатов одинакова.
Промахи — это явно отличающиеся от всех других результатов
чрезмерно большие погрешности. Например, представлены резуль-
таты определения плотности заполнителя: 1400, 1410, 1390, 1400,
1390, 1650 кг/м3. Последний результат явно указывает на промах
(возможно, после взвешивания заполнителя забыли вычесть массу
сосуда). Этот результат следует отбросить и не учитывать при
определении средней плотности.
Примером анализа ошибок и отбрасывания промахов может
служить положение ГОСТ 8269—76, касающееся определения плот-
ности вещества заполнителя. Последнюю вычисляют как среднее
арифметическое результатов двух опытов, если расхождение меж-
ду ними не превышает 0,02 г/см3. В случае больших расхождений
производят третье испытание и вычисляют среднее арифметическое
двух ближайших по значению результатов.
Возникает, однако, вопрос: достаточно ли надежно среднее
арифметическое опытных результатов отражает качество матери-
ала?
Это зависит от числа произведенных измерений. Если бы мож-
но было испытать полностью целую партию заполнителя, перебрав
ее последовательно малыми порциями, то получили бы исчерпы-
вающую информацию об изучаемом свойстве (например, о зерно-
вом составе или плотности заполнителя). Вся совокупность данных,
которые можно таким образом получить, называется генеральной
совокупностью N. Последняя может быть конечной или бесконеч-
ной. Например, партия заполнителя доставлена на завод на 100 ав-
тосамосвалах. Отобрав с каждого самосвала пробу, получим гене-
ральную совокупность данных W=100. Если же рассматривать за-
полнитель как совокупность отдельных зерен с индивидуальными
свойствами, то N—>-оо.
На практике возможен, как правило, только выборочный конт-
роль качества заполнителей. Совокупность п результатов произве-
денных испытаний отдельных проб называется выборочной, при-
чем п может быть значительно меньше N. Статистические методы
обработки результатов испытаний позволяют по выборочным дан-
ным судить о свойствах материала в пределах всей генеральной
совокупности.
Средним значением дискретной величины X, или ее математи-
ческим ожиданием М [X], называют сумму произведений всех воз-
можных значений величины х,- на вероятность р,, с которой X при-
нимает эти значения:
40
Л4[Х1= VxzA,
1.1
где pi — отношение числа значений х,- к N.
Для выборочных данных среднее арифметическое их значение
п
Х~ Х1 ~^Х2 • • • + __ v1 Л- mi
~ п й ' п ’
где rtii — частота случайного результата хх, т. е. число таких ре-
зультатов.
Отношение частоты к числу измерений п называется относитель-
ной частотой или частостью и при n-*-N приближается к вероят-
ности Pi.
Если исключить при испытаниях систематические ошибки и про-
махи, то математическим ожиданием выборочной средней будет ге-
неральная средняя, причем с тем большей достоверностью, чем
больше объем выборки п.
При этом необходимо соблюдать правила отбора проб и вычис-
ления выборочной средней. Если партия заполнителя доставлена
на 100 автосамосвалах, то лаборатория может отбирать для испы-
тания пробы, например, с каждого десятого самосвала (п=10).
Если при этом транспортные средства неодинаковы (вместимость
кузовов самосвалов различна), то при вычислении среднего сле-
дует руководствоваться «весом» каждого полученного частного ре-
зультата:
у ххтг + х2т2 + . + хптп
mL+ И2 + •-• + тп
где rrti, ^2, пгп — объемы или доли общего объема заполнителя,
представленные соответствующими пробами (например, показатель
качества Xi получен в результате испытания средней пробы,
отобранной от mi = 10 м3 заполнителя, х2 — от т2=5 м3 и т. д.).
Средневзвешенное значение ближе к генеральному среднему, чем
простое среднее арифметическое. Это надо иметь в виду во всех
случаях, когда представительность отдельных лабораторных проб
неодинакова.
Помимо среднего значения какого-либо признака качество за-
полнителя характеризуется возможными колебаниями показателей
свойств относительно среднего значения, т. е. вариацией. Напри-
мер, имеются данные систематического лабораторного контроля
влажности песка (табл. 2.4).
В среднем за обследованный период влажность песка составила
3,5 %, однако она изменялась в широких пределах, что немало-
важно для технологии бетона.
41
Таблица 2.4. Пример обработки данных контроля влажности песка
Интервалы влажности, % Средняя влажность в интервале, % Число проб Относительная частота попадания результатов испытаний в интервалы, %
1 ...2 1.5 4 5.3
2...3 2,5 21 28
3...4 3,5 27 36
4...5 4,5 17 22,7
5...6 5,5 5 6,7
6...7 6,5 1 1,3
Итого 75 100
Для числового выражения изменчивости показателей качества
материала чаще всего пользуются средним квадратическим откло-
нением о:
0=="/ 2(х,.—х)2/«.
Если число опытных данных не охватывает всю генеральную
совокупность, то среднее квадратическое отклонение для выборки
(-*ч — х)2Кп— 1).
Разницы между а и s при больших значениях п практически
нет, поэтому при п>30 обычно пользуются о.
Отношение среднего квадратического отклонения к среднему
арифметическому значению величины, выражаемое обычно в про-
центах (в долях единицы), называется коэффициентом вариации
или показателем изменчивости:
v=-^~ 100 (или
х \ х
Чаще всего распределение случайных величин показателей ка-
чества заполнителей подчиняется закону нормального распределе-
ния, или закону Гаусса. Для нормального распределения возмож-
ные отклонения значений х,- от среднего значения х имеют опре-
деленную вероятность. Так, можно утверждать, что вероятность
принятия величиной значений xt в пределах х±2о составляет 0,954,
а в пределах х±3о—0,997, т. е. в среднем лишь в трех случаях
из 1000 отклонение от среднего может превысить ±3о (по 1 ...
2 случая равновероятно в каждую сторону). Такой малой вероят-
ностью выхода значения случайной величины за пределы довери-
тельных границ, как правило, в технике пренебрегают.
Поэтому, имея результаты выборочных испытаний заполнителя
в виде среднего арифметического значения какого-либо показателя
качества и среднего квадратического отклонения, можно предска-
42
зать статистически вероятные предельные значения:
хт1а = х-2а или *т1П=7—Зс;
Апах=* + 2а ИЛИ Xmax = %+3c.
Если X— показатель прочности заполнителя, то следует иметь
в виду минимальное значение, а не среднее; если это засоренность
вредными примесями, то приходится считаться с возможным мак-
симальным значением и т. д. Таким образом, из всей совокупности
показателей качества заполнителя в разных расчетах учитываются
наихудшие их сочетания, причем степень условного «ухудшения»
качества заполнителя по сравнению со средними показателями за-
висит от и или V. Отсюда вытекает, что повышение однородности
заполнителей для бетона (уменьшение а и ») столь же важно, как
улучшение их качества по средним показателям.
Для вышеприведенного примера (см. табл. 2.4) при средней
влажности песка 3,5 % среднее квадратическое отклонение ее со-
ставило 1,1 %, коэффициент вариации — 31,5 %, минимальная
влажность при обеспеченности 0,954— 1,3 %, максимальная —
5,7 %, а при обеспеченности 0,997 — соответственно 0,2 и 6,8 %.
Вероятность того, что влажность песка окажется выше 5,7 %, со-
ставляет менее 23 случаев на 1000 проб, а выше 6,8 % —примерно
в одном случае на 1000 проб.
Для того чтобы обеспечить стабильность заданного показате-
ля качества бетона, следует добиваться повышения однородности
заполнителей по всем контролируемым параметрам — зерновому
составу, плотности, пустотности, удельной поверхности, влажности
и т. д. Есть, правда, еще один путь: при изменении свойств запол-
нителей можно соответственно варьировать состав бетонной смеси,
т. е. компенсировать неоднородность заполнителей корректировкой
состава бетона. Такая задача может быть решена при реализации
автоматической системы управления технологическим процессом,
и в этом направлении проводится значительная работа.
Автоматическая система управления может базироваться на
математической модели технологии бетона, связывающей выходную
функцию (например, прочность бетона) с исходными параметра-
ми. Наибольшие трудности представляют оценка исходных пара-
метров качества заполнителей, изыскание методов их экспрессного
определения и разработка соответствующих датчиков.
Использованию заполнителей предшествует определение их основных
свойств. Описанные методы испытаний имеют целью разностороннюю оцен-
ку качества заполнителей, на основе которой достигается их эффективное
применение в бетонах.
q 1. Различие в определении грех показателей плотности заполнителей: на-
Г сыпной, зерен и вещества. Какие из этих показателей необходимы для вы-
числения межзерновой пустотности заполнителя, какие — для вычисления
пористости зерен? 2. Как влияют на пустотность форма зерен заполните-
лей, их зерновой состав? 3. Какие зерновые составы заполнителей называ-
ла
ют непрерывными, какие — прерывистыми? Как с этим вопросом связана
возможная экономия цемента в бетоне? 4. От чего зависит удельная по-
верхность заполнителей и как она влияет на расход цемента в бетоне?
5. Каковы основные типы структурных различий материалов заполнителей?
Как структурные различия определяют изотропность или анизотропность,
влажность и водопоглощение, прочность, теплопроводность водостойкость
и морозостойкость? 6. Какие методы оценки прочности заполнителей пре-
дусмотрены стандартами? Как оценить действительную прочность запол-
нителей по условным показателям, получаемым в результате стандарт-
ных испытаний? 7. В чем особенности и преимущества испытаний запол-
нителей в бетоне? 8 Как характеризуется однородность заполнителя? Как
оценить статистически вероятные колебания его свойств по результатам
проведенных испытаний?
Глава 3
ВЛИЯНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ НА СВОЙСТВА
БЕТОННОЙ СМЕСИ
Состав бетонной смеси и ее технологические свойства,
необходимые для обеспечения удовлетворительного
перемешивания, транспортирования, укладки и уплот-
нения, в значительной мере определяются содержа-
нием и качеством применяемых заполнителей.
3.1. СОСТАВ БЕТОННОЙ СМЕСИ
При проектировании состава бетонной смеси, как правило, ис-
ходят из необходимости получения бетона заданной прочности и
консистенции при минимальном расходе цемента. Для бетонов
плотной структуры требование минимального расхода цемента
обеспечивается максимальным насыщением объема бетона запол-
нителями.
Если пустотность крупного заполнителя (гравия или щебня)
Епуст. к, то максимальное насыщение бетона заполнителями будет
при расходе мелкого заполнителя Ем=0,01 ЕПуст. к (множитель 0,01
введен потому, что пустотность выражена в процентах). В этом
случае пустотность смеси мелкого и крупного заполнителей (%)
^“.«=^„.^„,/100,
где Е„уст.м — пустотность мелкого заполнителя (песка), %.
Например, если пустотность гравия составляет 32 %, а пустот-
ность песка — 27 %, то минимальная пустотность смеси гравия и
песка составит 8,6 %.
При этом условно допускаются, что все пустоты в крупном за-
полнителе могут быть заполнены мелким без раздвижки зерен.
В действительности это невозможно, так как вблизи контактов зе-
рен крупного заполнителя зазоры между ними столь узки, что во-
круг каждой точки контакта образуется некоторая зона пустот, не-
доступных для заполнения песком.
Таким образом, если взять объем песка Ум=0,01 ЕпуСт. к, то
зерна крупного заполнителя в смеси неминуемо будут раздвинуты
и пустотность смеси несколько увеличится. На практике, исходя из
требуемой подвижности или жесткости бетонной смеси, объем
45
/,е е,е o,ff e,z
Рис. 3 1. Зависимость пустотности смеси от объемного содержания мел-
кого и крупного заполнителей
песка в смеси заполнителей обычно берут с некоторым избытком
к пустотности крупного заполнителя, определяя этим раздвижку
зерен последнего.
Зависимость пустотности смеси от соотношения мелкого и круп-
ного заполнителей И. Н. Ахвердов выражает графически (рис. 3.1).
Для построения графика по оси абсцисс откладывают объем песка
от 0 до 1 м3 в определенном масштабе. Затем параллельно откла-
дывают объемы крупного заполнителя в обратном порядке и в дру-
гом масштабе: в интервале расходов песка от 0 до VM=0,01 Упуст.к
полагают расход крупного заполнителя равным 1 м3 на 1 м3 смеси,
а оставшийся отрезок оси абсцисс делят пропорционально умень-
шению расхода крупного заполнителя от 1 м3 до 0. По оси ординат
откладывают слева (при расходе заполнителя К<=1 м3 и песка
Vm = 0,01 Упуст.к==0) ПУСТОТНОСТЬ КРУПНОГО ЗаПОЛНИТелЯ Епуст.к.
справа (при Ук=0 и Ем=1 м3) —пустотность песка УПустм, а про-
тив объема песка Ем— минимальную пустотность смеси. Соединив
точки прямыми, получают график, ординаты которого соответству-
ют пустотности смеси мелкого и крупного заполнителей, взятых в
том или ином соотношении. Например, если при ЕпуСтк=320/о и
Ппуст.м=27% (см. рис. 3.1) примем расход крупного заполнителя
Ук=0,9 м3 на 1 м3 смеси, то песка потребуется 1/м=0,4 м3 и пустот-
ность смеси составит ГпуСт. См=И %; если Ек=0,7 м3, то Ем=
•=0,55 м3, а Спуст. см — 14,5 % и т. д.
Пустотность смеси заполнителей определяет расход цементного
теста. Чем меньше крупного заполнителя в смеси, тем больше пу-
стотность и расход цементного теста. Если вообще отказаться от
применения крупного заполнителя, то получают мелкозернистый
бетон, пустотность заполнителя для которого в вышеприведенном
примере составит 27 %, почти в 2,5 раза больше, чем при расходе
на 1 м3 смеси 0,9 м3 крупного заполнителя. Соответственно возра-
стает и расход цемента. Поэтому, как правило, стремятся насытить
46
бетонную смесь крупным заполнителем (не менее 0,7 м3 на 1 м3
смеси).
Н. Я. Спивак предложил оценивать зерновой состав заполните-
лей для легкого бетона «структурным фактором» — отношением
объема мелкого заполнителя в насыпном виде к сумме пофракци-
онных объемов мелкого (М) и крупного (К) заполнителей. Опти-
мальное значение этого показателя, обеспечивающее лучшие свой-
ства легкого бетона при наименьшем расходе цемента, определяют
максимумом суммы пофракционных объемов мелкого и крупного
заполнителей в единичном объеме смеси, т. е. наименьшей пустот-
иостью смеси заполнителей.
С целью снижения расхода цемента следует применять также
крупный заполнитель с возможно меньшей пустотностью. Для это-
го составляют наиболее рациональные смеси различных по круп-
ности фракций заполнителя.
Чем больше диапазон крупности зерен в смеси заполнителя,
тем меньше может быть расход цемента, поскольку каждое более
крупное зерно заполнителя замещает равновеликий объем бетон-
ной смеси. Поэтому при бетонировании массивных сооружений по-
мимо обычного заполнителя добавляют так называемый «изюм» —
крупный булыжник, рваный камень и т. п.
Согласно СНиП, предельная крупность заполнителя должна
быть не больше 3/4 расстояния между прутьями арматуры в же-
лезобетоне, или V4 наименьшего размера сечения балочных эле-
ментов, или ’/2 толщины плитных элементов. Следует иметь в виду,
что уменьшение предельной крупности заполнителя ведет к отно-
сительному перерасходу цемента.
Цементное тесто расходуется не только на заполнение межзер-
новых пустот в заполнителе, но и на обволакивание всех его зерен.
При этом в зависимости от вязкости цементного теста имеет место
большая или меньшая раздвижка зерен заполнителя. Таким обра-
зом 1 м3 заполнителя за счет обмазки его зерен цементным тестом
как бы разбухает. Дополнительный объем бетона (по И. Н. Ахвер-
дову)
Д1/с=8($пП -}-хгГ),
где б — толщина слоя обмазки зерен заполнителя цементным тес-
том; sn и sr — удельная поверхность соответственно песка и круп-
ного заполнителя; П и Г — расход соответственно песка и крупно-
го заполнителя (по массе).
Минимальный расход цементного теста на 1 м3 бетона (по
И. Н. Ахвердову)
у 0,01 Упуст.см + 6 (SnFI + ®гГ)
1+6 (зпП + srr)
Расход цементного теста на 1 м3 бетона тем больше, чем боль-
ше удельная поверхность заполнителя. При этом наибольшее зна-
47
чение имеет удельная поверхность песка: чем мельче зерна, тем
больше удельная поверхность. Поэтому в скобках приведенных
формул основной вес имеет первое слагаемое. Удельная поверх-
ность гравия составляет 1 ... 5 см2/г, обычного песка средней круп-
ности— 40... 70, а мелкого песка—до 200 см2/г, т. е. 20 м2/кг, или
2 га/т. Естественно, что применение слишком мелких песков ведет
к перерасходу цемента.
Как указано выше, пустотность и удельная поверхность запол-
нителей зависят не только от крупности, но и от формы зерен. При
одинаковой крупности гравий, состоящий из зерен округлой, ока-
танной формы, способных укладываться более компактно, отли-
чается от щебня несколько меньшей пустотностью и меньшей удель-
ной поверхностью зерен. Некоторые виды пористых заполнителей
имеют сильно развитую поверхность, открытую пористость и повы-
шенную пустотность (природная и шлаковая пемза, аглопорито-
вый щебень, топливные шлаки). Для таких заполнителей особенно
важно иметь объективные оценки характеристик, получаемые при
испытании в бетоне (цементном тесте).
Таким образом, от содержания и качества заполнителей зависит
расход цементного теста, необходимого для получения бетона плот-
ной структуры. Однако заполнители влияют не только на расход
цементного теста, но и на его качество, поскольку связывают в
бетонной смеси часть воды затворения и тем самым изменяют ис-
тинное водоцементное отношение. Это необходимо учитывать, оп-
ределяя заранее водопотребность заполнителей, как описано
в §2.12.
Расчет водопотребности обычных заполнителей для тяжелого
бетона сравнительно прост, поскольку в основном учитывает воду,
добавляемую на смачивание поверхности зерен заполнителей. Ес-
ли же заполнители пористые, то они способны поглотить из бетон-
ной смеси гораздо больше воды, причем этот процесс растянут во
времени.
В оценке значимости этого явления пока нет единого мне-
ния, что связано со сложностью как самого процесса, так и его
последствий.
По М. 3. Симонову, в легком бетоне на пористых заполнителях
происходит процесс самовакуумирования: заполнители, как микро-
насосы, отсасывают воду, уплотняя тем самым цементное тесто.
В результате повышается прочность цементного камня, улучшается
его сцепление с поверхностью заполнителя, растет прочность бето-
на. Многие исследователи подтверждают эту точку зрения экспери-
ментальными данными, согласно которым цементный камень в кон-
тактных зонах легкого бетона более прочен и имеет более плотную
структуру. Н. К. Хохрин связывает с самовакуумированием повы-
шенную химическую стойкость бетонов и в связи с этим рекоменду-
ет применять заполнители с большим капиллярным водопоглоще-
нием.
48
Согласно другим данным (Т. Ю. Любимовой), микротвердость
цементного камня в зоне контакта с пористыми заполнителями сни-
жается. Нередко отмечается, что если в зоне контакта с пористыми
заполнителями цементный камень плотнее, то это сопровождается
его разрыхлением в межзерновых зонах.
В зарубежной практике пористые заполнители, как правило, ре-
комендуют предварительно увлажнять. Опыты показывают, что на
водонасыщенных пористых заполнителях (когда самовакуумиро-
вание исключено) получается бетон не меньшей прочности, чем на
сухих.
В Одесском инженерно-строительном институте (А. А. Кучерен-
ко и др.) изучена и предложена предварительная обработка по-
верхности пористого заполнителя (керамзитового гравия) эмуль-
сией ГКЖ-94 с целью гидрофобизации. В результате водопоглоще-
ние заполнителя резко уменьшается, и это, согласно опытным дан-
ным, положительно сказывается на прочности и стойкости бетона.
Во всех случаях водопоглощение заполнителей следует опреде-
лять и учитывать при проектировании состава бетонной смеси. Во-
допоглощение зависит от пористости заполнителей, а также и от
вида пор, которые могут быть открытыми или замкнутыми, крупны-
ми или мелкими,’ в форме ячеек или капилляров. Наиболее интен-
сивный отсос влаги, который может привести к значительному
обезвоживанию цементного теста и потере удобоукладываемости
бетонной смеси, наблюдается при применении заполнителей с от-
крытой мелкой пористостью, особенно капиллярной.
3.2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ
• Задача этого этапа технологии заключается в точном дозирова-
нии компонентов бетона и тщательном их перемешивании для по-
лучения однородной бетонной смеси.
• В зависимости от свойств заполнителей выбирается способ их
дозирования. Так, если применяются заполнители из плотных ка-
менных пород, то дозирование должно осуществляться преимуще-
ственно не по объему, а по массе. Поскольку плотность таких
пород, как правило, постоянна, то при дозировании по массе в
каждом кубическом метре бетона заполнитель будет занимать по-
стоянный объем.
Иное дело, когда применяют пористые заполнители, например
керамзитовый гравий. Его зерна могут иметь различную степень
вспучивания, неодинаковую плотность. Две равные по массе пор-
ции керамзитового гравия могут отличаться по объему, который
они займут в бетоне. В этом случае целесообразнее дозировать за-
полнители по объему.
Для дозирования пористых заполнителей, неоднородных по
плотности, во ВНИИжелезобетона разработаны специальные до-
заторы. Они дозируют заполнитель по объему и одновременно взве-
49
шивают его. В зависимости от измеренной массы данной порции
заполнителя корректируется расход других его фракций (песка),
т. е. состав бетонной смеси.
• Свойства заполнителей необходимо учитывать и при определе-
нии способа перемешивания. В гравитационных бетоносмесителях
составляющие бетонной смеси перемешиваются при многократном
свободном падении во вращающемся барабане под воздействием
силы тяжести. Этот способ перемешивания может быть использо-
ван, когда крупный заполнитель тяжелее цементного теста или
растворной части бетонной смеси. Если же заполнитель легче и
всплывает, необходимо применять бетоносмесители принудитель-
ного действия или растворосмесители. Для перемешивания обыч-
ных тяжелобетонных смесей растворосмесители не используют, так
как зерна высокопрочного гравия или щебня, попадая между ло-
пастями и корпусом, могут вызвать поломки. В случае применения
менее прочных пористых заполнителей это не опасно.
Рассмотрим вопрос о дроблении зерен малопрочных (пористых)
заполнителей в процессе перемешивания бетонной смеси. Сущест-
вует мнение, что это допустимо, особенно при дефиците мелких
фракций пористых заполнителей. Иногда используются смеси-
тельные машины, частично дробящие и размалывающие запол-
нитель в процессе приготовления бетонной смеси. Хотя в некото-
рых конкретных случаях такая технология может оказаться при-
емлемой, изменения зернового состава заполнителей при переме-
шивании бетонной смеси не следует допускать, так как этот про-
цесс практически невозможно контролировать, и полученные та-
ким образом бетонные смеси оказываются неоднородными.
При приготовлении крупнопористого бетона измельчение запол-
нителя недопустимо. В случае применения плотных высокопрочных
заполнителей бетонные смеси можно готовить в смесителях при-
нудительного действия или гравитационных, а при использовании
пористых заполнителей — только в гравитационных.
• Интенсивность и продолжительность перемешивания для полу-
чения бетонных смесей достаточной однородности зависят (в чис-
ле прочих факторов) от крупности заполнителей, формы зерен, ше-
роховатости их поверхности и т. д. В процессе перемешивания бе-
тонной смеси необходимо равномерно распределить сравнительно
небольшой объем цементного теста, покрыв им всю поверхность зе-
рен заполнителя. Чем больше суммарная площадь поверхности зе-
рен заполнителя (в мелкозернистых смесях), тем, как правило,
продолжительнее перемешивание.
3.3. ТРАНСПОРТ БЕТОННОЙ СМЕСИ
• Особое внимание при транспортировании бетонной смеси ж мес-
ту укладки должно быть уделено сохранению ее однородности и
технологических свойств. Способность бетонных смесей противо-
50
стоять расслаиванию и сохранять требуемую удобоукладываемость
в значительной степени зависит от содержания и качества запол-
нителей.
Расслаивание бетонной смеси с частичной сегрегацией круп-
ного заполнителя и растворной части (мелкий заполнитель связан
с цементным тестом сильнее) может иметь место при длительной
перевозке или при сбрасывании смеси, например с транспортеров.
В первом случае расслоение подвижных смесей происходит под
влиянием различия плотности крупного заполнителя и раствора.
Если крупный заполнитель тяжелее (в обычных тяжелых и осо-
бо тяжелых бетонах), то он оседает вниз, если легче (в легких бе-
тонах), то всплывает вверх. Предотвратить это можно, в частно-
сти, достаточным насыщением смеси заполнителем и подбором его
зернового состава, обеспечением оптимального соотношения доз
крупного и мелкого заполнителей.
Во втором случае расслоение происходит в силу разной инер-
ции частиц. При этом имеет значение плотность заполнителя, а
также и связность смеси, т. е. сцепление заполнителя с цементным
тестом, которое для щебня больше, чем для гравия, а для по-
ристых заполнителей (в связи с их значительным водопоглощением
и неровностью поверхности зерен) больше, чем для плотных.
В гл. 2 приведены данные об эффективности заполнителей пре-
рывистых зерновых составов, обеспечивающих наибольшую плот-
ность бетона при малом расходе цемента." Однако именно такие
смеси наиболее расслаиваемы, так как мелкозернистая их часть
свободно проходит через пустоты между зернами крупной фракции
заполнителя. Поэтому подобные смеси требуют особой технологии
укладки.
3.4. УКЛАДКА И УПЛОТНЕНИЕ БЕТОННОЙ СМЕСИ
• Содержание, зерновой состав и качество заполнителей при за-
данной консистенции бетонной смеси определяют ее водопотреб-
ность. Наибольшие плотность и прочность бетона при наименьшем
расходе цемента достигаются подбором зернового состава запол-
нителей с наименьшей водопотребностью, поскольку чем меньше
водопотребность смеси для обеспечения заданной консистенции,
тем меньше В/Ц при минимальном расходе цемента.
С другой стороны, при заданном В/Ц заполнители оказывают
решающее влияние на удобоукладываемость бетонной смеси.
Исследования и опыт показали, что при прочих равных усло-
виях удобоукладываемость бетонной смеси лучше на гравии, чем на
щебне, и на плотных заполнителях, чем на пористых. Она ухудша-
ется с убыванием наибольшей крупности заполнителя, при недо-
статке или чрезмерном содержании песка в смеси заполнителей.
Большое влияние на удобоукладываемость бетонной смеси ока-
зывают строение и структура поверхностного слоя зерен заполни-
51
теля, их водопоглощение. В частности, бетонные смеси на порис-
тых заполнителях после приготовления сравнительно быстро
теряют подвижность и при укладке требуют виброуплотнения.
Действие виброобработки помимо тиксотропного разжижения
цементного теста проявляется в некотором возвращении на поверх-
ность зерен заполнителей поглощенной ими воды, как бы смазыва-
ющей зерна и уменьшающей трение при их более компактной вза-
имной укладке.
Бетонные смеси на пористых заполнителях вообще следует ук-
ладывать сразу после приготовления. Если же по условиям про-
изводства работ эти смеси приходится транспортировать на боль-
шие расстояния, то их целесообразно готовить на предварительно
водонасыщенных заполнителях.
• С крупностью и зерновым составом заполнителей связан вы-
бор методов формования бетонных изделий.
При виброобработке следует иметь в виду, что для круп-
нозернистых смесей эффективна низкочастотная вибрация
(3000 кол/мин) с достаточно большой амплитудой колебаний (0,5...
0,7 мм), а для мелкозернистых — высокочастотная (7000...
14 000 кол/мин) с меньшей амплитудой (0,2... 0,4 мм). Одновре-
менное воздействие, на бетонную смесь вибраций различных час-
тот эффективно, если эти частоты близки к частотам собственных
резонансных колебаний разных по крупности и массе зерен запол-
нителя. Для прессования или виброироката больше подходят мел-
козернистые смеси.
При производстве трубчатых элементов методом центрифуги-
рования возможно расслоение бетонной смеси: более тяжелые зер-
на заполнителя распределяются наиболее компактно у наружной
поверхности формуемой трубы, отжимая более легкие компонен-
ты, особенно воду, к внутренней поверхности; если же подвергнуть
центрифугированию легкобетонные смеси на пористых заполните-
лях, то возможна обратная картина.
Это явление в различной степени проявляется при уплотнении
бетонных смесей в горизонтальных формах на виброплощадках.
В результате виброуплотнения имеет место некоторое перераспре-
деление заполнителя в смеси: вниз, если заполнитель тяжелый, и
вверх, если он легче растворной части смеси. Поэтому при уплот-
нении бетонных смесей на легких заполнителях необходимо до-
полнительное давление сверху, чтобы обеспечить достаточную
плотность и прочность верхнего слоя бетона в изделиях.
3.5. ТВЕРДЕНИЕ БЕТОНА
• Условия и интенсивность твердения бетона в определенной ме-
ре зависят от свойств заполнителей.
При твердении бетона в естественных условиях преимущества
дает применение пористых заполнителей, которые, аккумулируя
52
в своих порах часть воды затворения, отдают ее по мере необхо-
димости твердеющему цементному камню. Благодаря некоторому
запасу воды такие бетоны менее чувствительны к неблагоприят-
ным условиям твердения на открытом воздухе.
Это свойство иногда можно использовать при ускорении твер-
дения бетона термообработкой. Если обычные бетоны при этом
необходимо предохранять от высыхания (для чего производят про-
паривание в среде насыщенного водяного пара), то, например,
для теплоизоляционного перлитобетона может быть применен про-
грев в сухой среде. В силу особенностей капиллярной структуры
и процесса массообмена твердеющий цементный камень в бетоне
не высохнет до тех пор, пока сколько-нибудь влаги еще сохранится
в заполнителе. В итоге такой обработки получаются не только до-
статочно прочные, но и сухие изделия.
На скорость прогрева изделий при тепловой обработке и ско-
рость охлаждения влияет теплопроводность заполнителей.
Наконец, с твердением бетона связано тепловыделение за счет
экзотермических реакций гидратации цемента. Если бетонируемое
сооружение массивно (например, плотина), это может привести
к значительному перегреву глубинных слоев бетона, неравномер-
ным температурным напряжениям и деформациям, к образованию
трещин. Для обычных портландцементов в первые дни твердения
выделение теплоты составляет до 200 кДж/кг. Естественно, чем
меньше цемента в бетоне, тем меньше тепловыделение, а это дос-
тигается насыщением бетонной смеси заполнителем соответствую-
щего зернового состава. Обычно в 1 м3 бетона содержится 200...
300 кг цемента и около 2 т заполнителей. Заполнитель способст-
вует рассеиванию выделяемой теплоты, уменьшает температурные
перепады и деформации.
Начиная с проектирования состава бетонной смеси и далее на всех
стадиях ее технологической переработки прослежено влияние вида, свойств
и особенностей применяемых заполнителей. Учет влияния заполнителей на
свойства бетонной смеси необходим для оптимизации технологии.
П 1. Какие свойства заполнителей необходимо знать для проектирования оп-
ти мольного состава бетонной смеси? 2. Какие свойства заполнителей сле-
дует учитывать при назначении технологии их дозирования, способов и
длительности перемешивания бетонной смеси? 3. Как влияют заполнители
на удобоукладываемость бетонных смесей? 4. В чем особенности транс-
портирования, укладки и уплотнения бетонных смесей на плотных (тяже-
лых) и пористых (легких) заполнителях? 5. Как влияют свойства запол-
нителей на условия твердения бетона?
Глава 4
ВЛИЯНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ НА СВОЙСТВА
БЕТОНА
При определении назначения заполнителей (см. гл. 1)
перечислены стимулы, побуждающие к их примене-
нию. Рассмотрим влияние заполнителей на основные
свойства бетонов более подробно.
4.1. ПРОЧНОСТЬ БЕТОНА
Все эмпирические формулы, по которым определяется проч-
ность бетона, содержат коэффициенты, зависящие от качества за-
полнителей. Таковы, например, формулы:
Боломея — Скрамтаева
/?б=А/?ц(Ц/В—0,5), (4.1)
И. Н. Ахвердова
R6=--------77- kR'1-------1---------• (4-2)
0,95 —-------— (В/Ц)б — 1,65£Н.Г
^н.г
Коэффициенты k или А в этих формулах могут существенно из-
меняться, а это означает, что наряду с активностью цемента
его водопотребностью для получения теста нормальной густоты
k„r и водоцементным отношением В/Ц качество применяемых за-
полнителей является одним из основных факторов, определяющих
прочность бетона.
Что означает «качество заполнителей», какие конкретные свой-
ства имеются в виду?
В первую очередь это свойства, определяющие сцепление це-
ментного камня с поверхностью зерен заполнителей в бетоне, и
собственная прочность заполнителей.
• 4.1.1. Сцепление цементного камня с поверхностью зерен запол-
нителей. В обычных тяжелых бетонах прочность крупного запол-
нителя— гравия или щебня — всегда выше прочности растворной
части, а прочность мелкого заполнителя — песка (точнее, горной
породы или минералов, составляющих зерна песка) — больше
54
прочности цементного камня. И тем не менее, прочность раствора
оказывается, как правило, меньше прочности цементного камня,
а прочность бетона нередко ниже прочности растворной его части.
Исследования показали, что прочность бетона зависит не столько
от прочности заполнителей, сколько от прочности сцепления це-
ментного камня с поверхностью зерен заполнителей.
В этом можно убедиться, проделав в лаборатории следующий
опыт. Приготовим в качестве «заполнителей»» гладкие стальные
шары и такие же по размеру шары из парафина. Затем сформу-
ем из цементного раствора одинаковые образцы, в один из которых
введем стальные шары, в другой — парафиновые. После тверде-
ния в одинаковых условиях испытаем образцы на прочность. Ока-
жется, что их прочность примерно одинакова, несмотря на то, что
в одном «заполнитель» из высокопрочной и жесткой стали, в дру-
гом— из слабого пластичного парафина. В обоих случаях проч-
ность образцов будет значительно ниже прочности исходного раст-
вора.
Отсутствие сцепления цементного камня с заполнителями так
резко проявляется в снижении прочности бетона потому, что даже
при сжатии бетон разрушается от поперечного растяжения. При
отсутствии сцепления цементного камня с заполнителями послед-
ние практически не участвуют в сопротивлении действию нагрузки
и как бы уподобляются пустотам, ослабляющим сечение. На прак-
тике в качестве заполнителя иногда используют гладкоокатанную
морскую гальку. Естественно, что прочность бетона при этом не
может быть высокой.
Применяя вместо чистого цементного камня бетоны с мелким
и крупным заполнителем, стремятся к тому, чтобы замена запол-
нителем цементного камня в бетоне была эффективной во всех от-
ношениях. Как указано выше, заполнитель занимает в бетоне до
80% объема. Это экономит цемент. Но всегда ли введение в бетон
заполнителей эффективно с точки зрения обеспечения высокой
прочности конгломерата?
Что касается мелкого заполнителя — песка, то опыты показы-
вают, что прочность цементно-песчаного раствора на кварцевом
песке ниже прочности цементного камня. В частности, на обычных
цементах получается цементный камень, превышающий в 2 раза
марку (активность) цемента по прочности, определяемую в соот-
ветствии со стандартом путем испытания образцов из цементно-
песчаного раствора 1 :3. Нормальный (Вольский) песок для испы-
тания цементов по ГОСТ 6139—78 — узкофракционный, с окатан-
ными зернами округлой формы — не обеспечивает прочного сцеп-
ления с цементным камнем.
Если провести с цементом опыт, аналогичный его стандартному
испытанию, но вместо нормального (вельского) песка использо-
вать природный кварцевый с менее окатанными (более шерохо-
ватыми) зерами, то прочность образцов повысится (по данным
55
Ю. М. Баженова на 15...25%), но все равно будет ниже прочности
цементного камня.
Если вместо природного песка использовать дробленый из
скальных пород, то можно добиться некоторого повышения проч-
ности бетона, хотя и в дробленом песке зерна часто имеют глад-
кие грани, представляя собой отдельные кристаллы минералов.
Некоторые кристаллические минералы при дроблении разру-
шаются с разрывом межатомных связей. Обнаружено, что свеже-
дробленые кварцевые заполнители в силу' ионизации поверхности
зерен приобретают на короткое время физико-химическую актив-
ность, что проявляется в повышении прочности бетона за счет луч-
шего сцепления.
ОднаКо прочность сцепления цементного камня с поверхностью
зерен песка меньше прочности цементного камня, поэтому послед-
няя в цементно-песчаном растворе недоиспользуется.
Щебень в качестве крупного заполнителя лучше гравия, так как
имеет более благоприятную для сцепления форму зерен и разви-
тую шероховатую поверхность. Его используют для получения вы-
сокопрочных бетонов.
Гравий — самый дешевый крупный заполнитель, залежи его
имеются во многих районах страны. Если при применении гравия,
как и песка, обеспечивается более или менее падежное его сцепле-
ние с цементным камнем, обусловленное только физико-химиче-
ским взаимодействием, то при использовании щебня имеет место и
механическое зацепление, преодоление которого при разрушении
бетона связано с сопротивлением цементного камня срезу.
Помимо формы зерен заполнителей на прочность сцепления с
ними цементного камня влияет чистота поверхности. Природные
заполнители нередко бывают загрязнены. Например, глинистые
примеси, обволакивающие зерна тонкой пленкой, мешают сцепле-
нию. Поэтому их следует предварительно промывать. В случае
применения непромытых заполнителей целесообразно при приго-
товлении бетонной смеси в бетоносмесителе сначала их переме-
шать с водой и лишь потом добавить цемент. В этом случае при-
меси, смытые с поверхности заполнителя, равномерно распределят-
ся в цементном тесте и не окажут столь вредного воздействия.
Положительное влияние на сцепление оказывает пористость зе-
рен заполнителя. Благодаря отсосу воды пористым заполнителем
в бетонной смеси цементное тесто проникает в открытые поры, т. е.
имеет место как бы срастание цементного камня с заполнителем.
Кроме того, водопоглощение устраняет опасность образования
у поверхности заполнителей водных пленок, мешающих сцепле-
нию.
Наконец, на весьма сложные и не вполне изученные физико-
химические процессы, определяющие прочность склеивания состав-
ляющих бетона, влияют химический и минералогический составы
заполнителей.
56
Рис 4 1 Картина разрушения бетона
Если сцепление цементного камня с заполнителями в бетоне
невелико, то разрушение бетона под нагрузкой начинается с зоны
контакта, трещины разрушения проходят по цементному камню и
поверхности зерен заполнителя, огибая их (рис. 4.1, а). Если же
сцепление надежно, то разрушение бетона происходит по сквозным
трещинам, пронизывающим как цементный камень, так и заполни-
тели (рис. 4.1, б). Именно такая картина разрушения наблюдает-
ся при испытании высокопрочного бетона.
• 4.1.2. «Армирование» бетона заполнителем. Из изложенного вы-
текает, что если в бетоне нет сцепления между цементным камнем
и заполнителем, то прочность заполнителя практически не имеет
значения. При хорошем сцеплении прочность заполнителя приоб-
ретает важное значение, заполнитель вступает в работу и активно
участвует в формировании прочности конгломерата.
Были проведены опыты по получению бетона с использованием
в качестве заполнителя дробленого цементного клинкера — мате-
риала весьма прочного и, естественно, обеспечивающего идеаль-
ное сцепление — срастание с гидратными новообразованиями твер-
деющего цементного камня. Прочность бетона по сравнению с
обычным возросла почти вдвое. Эти опыты имели только теорети-
ческое значение (использование клинкера в качестве заполнителя
невозможно по экономическим соображениям, к тому же подоб-
ные бетоны с реакционноспособным клинкером не могут быть дол-
говечными) и показывали важность выбора таких заполнителей,
которые, сцепляясь с цементным камнем, обеспечивают высокую
прочность бетона и более эффективное использование цемента.
Рассмотрим случай, когда прочность крупного заполнителя за-
ведомо выше прочности растворного скелета бетона, а форма зе-
рен и качество поверхности зерен заполнителя обеспечивают на-
дежное сцепление с ним цементного камня.
Согласно положениям науки о сопротивлении материалов в на-
груженном бетонном образце или конструкции распределение на-
пряжений между компонентами конгломерата зависит от соотно-
шения их модулей упругости (модулей деформаций). Высоко-
прочный заполнитель — наиболее жесткий компонент бетона, при-
нимая нагрузки на себя, несколько разгружает растворную
57
Рис. 4 2. Зависимость прочности бетона от степени
насыщения его гранитным щебнем
часть сечения и тем самым отдаляет образование в ней трещин.
Когда при возрастающей нагрузке трещины в растворе (цемент-
ном камне) все же образуются, высокопрочный крупный заполни-
тель, связывая бетон воедино, иногда может еще обеспечить вос-
приятие нагрузки образцом или конструкцией.
Таким образом, заполнитель как бы «армирует» бетон. Этот
эффект проявляется, в частности, при использовании в качестве
заполнителя высококачественного чистого гранитного щебня. Проч-
ность бетона на таком щебне, как показали опыты, может быть
выше прочности входящего в его состав раствора.
Необходимо отметить особенность «армирования» бетона запол-
нителем, не позволяющую провести полную аналогию с обычной
арматурой в железобетоне. Она состоит в том, что зерна заполни-
теля имеют небольшие размеры. «Арматура» в данном случае как
бы разрезана на куски. «Армирующий» эффект может проявиться
только при взаимной «перевязке» зерен заполнителя, когда они
пронизывают в бетоне каждое сечение. Это возможно только при
достаточно большом содержании заполнителя.
Если крупного заполнителя в бетоне мало и он представляет
собой «плавающие» включения, не связанные между собой, то эф-
фект «армирования» отсутствует. При этом прочность бетона в луч-
шем случае равна прочности раствора (она может быть и меньше,
если скажется нарушение сцепления заполнителя с цементным
камнем или местная концентрация напряжений).
На рис. 4.2 приведены результаты исследования зависимости
прочности бетона от коэффициента ррщ, представляющего собой
отношение объема растворной части бетона к объему межзерно-
вых пустот щебня (по данным И. А. Киреенко и Н. И. Сытника).
Как следует из графика, наибольшая прочность бетона соответст-
вует рр.щ=1,2. При увеличении расхода раствора (с соответствую-
щим уменьшением расхода щебня) прочность бетона снижается и
при и₽.щ>3 становится примерно равной прочности раствора
58
от прочности его растворной со-
Рис. 43. Зависимость прочности бе-
тона
ставляющсй при применении в ка-
честве крупного заполнителя:
1 — гранитного щебня; 2 — минского агло-
порита; 3 — витебского керамзита
(Рр.щ—*-°°). Значение коэффици-
ента рР.щ=1,2 соответствует рас-
ходу щебня примерно 900 л на
1 м3 бетона.
Отсюда следует, что доказано
исследованиями и практическим
опытом: бетон максимальной
прочности можно получить не по-
вышением расхода цемента (что
еще нередко практикуется), а,
наоборот, максимальным (до из-
вестного предела) насыщением
бетона высокопрочным щебнем.
«Армирующий» эффект запол-
нителя ограничивается тем, что
разрушение бетона может прой-
ти по цементному камню (раст-
вору), огибая зерна заполнителя.
Но и в этом случае достигается
эффект упрочнения, так как уве-
личивается площадь распределе-
ния нагрузки. Опыты показали,
что «армирующий» эффект мо-
жет проявиться в повышении прочности бетона по сравнению с
прочностью входящего в его состав раствора примерно на 20...
...25%.
• 4.1.3. Прочность заполнителей. Какая прочность заполнителей
необходима, чтобы проявился их «армирующий» эффект, и как
вообще влияет прочность заполнителей на прочность бетона? При
рассмотрении этого вопроса будем считать, что сцепление цемент-
ного кампя с заполнителями надежно обеспечено.
На рис. 4.3 представлены результаты опытов С. М. Ицковича
по выявлению зависимости прочности бетона от прочности его раст-
ворной составляющей при применении различных видов крупного
заполнителя: гранитного щебня, аглопоритового щебня, выпускае-
мого Минским заводом стройматериалов (насыпная плотность
фракции 10... 20 мм — 668 кг/м3), и керамзитового гравия, выпус-
каемого Витебским комбинатом стройматериалов (насыпная плот-
ность фракции 10...20 мм — 354 кг/м3).
Для бетона на гранитном щебне все опытные точки располо-
жились выше диагонали, т. е. прочность бетона оказалась выше
прочности раствора.
Зависимость предела прочности бетона Ra от предела прочно-
сти растворного скелета 7?р.с при использовании гранитного щебня
выражается прямой:
/?б~1,25/?р.с.
(4-3)
59
С этой прямой частично сливаются кривые для аглопоритобе-
тона и керамзитобетона. Это свидетельствует о том, что в бетонах
определенных марок пористые заполнители — аглопорит или ке-
рамзит (хотя они не столь прочны, как гранит) —без ущерба для
прочности бетона могут заменить высокопрочный гранитный ще-
бень. Следовательно, прочность гранита (предел прочности около
150 МПа) в бетоне, как правило, полностью не используется.
Поэтому введено понятие используемой прочности заполнителя,
смысл которого будет пояснен ниже.
Наряду с формулами типа (4.1), (4.2), в которых влияние за-
полнителей на прочность бетона учтено коэффициентами, в ли-
тературе часто встречаются формулы, в которых непосредственно
фигурирует прочность крупного заполнителя. В общем виде подоб-
ные формулы можно представить следующим выражением:
Я6 = Ир/?р.с + На/?3. (4.4)
где Rp.c и /?3 — пределы прочности соответственно бетона, раст-
ворной составляющей и заполнителя; Ур и У3 — относительные объ-
емы соответственно раствора и заполнителя в бетоне (в долях еди-
ницы).
Согласно формуле (4.4), нагрузка, которую сможет выдержать
бетон, определяется суммой нагрузок, которые выдерживают от-
дельно раствор и заполнитель. При этом предполагается, что проч-
ность данного заполнителя полностью используется в бетоне не-
зависимо от того, с раствором какой прочности он сочетается. Од-
нако это не так (см. рис. 4.3). Формулы типа (4.4) дают завышен-
ные показатели предела прочности бетона, т. е. фактическая проч-
ность бетона по результатам опытов оказывается, как правило, ни-
же расчетной.
Если фактические результаты испытания на прочность бетона
и раствора подставить в уравнение (4.4), то, решив его относитель-
но R3, получим
^исП= /?б-УР/?р.с , (4,5)
Уд
где 7?3ИСП — используемая расчетная прочность заполнителя в бе-
тоне.
Зная плотность бетона рс, раствора рр и зерен заполнителя р3,
можно найти фактические значения V3 и Ёр:
V = Рр - Рб . у ==1_у
v 3 5 * р х * 3е
Рр-Рз
Подставив эти значения и фактические значения и /?р.с (см.
рис. 4.3) в выражение (4.5), можно выявить степень использования
прочности заполнителей в бетонах различной прочности (рис. 4.4).
Для исследованных пористых заполнителей — аглопорита и ке-
рамзита— эта зависимость выражается кривыми, состоящими из
60
двух ветвей — восходящей и нисходящей. Восходящие ветви всех
кривых совпадают так же, как отдельные участки кривых =
—f(^p.c) на рис. 4.3. Это значит, что используемая прочность раз-
личных заполнителей в бетонах определенных марок может быть
одинаковой.
Так, в бетоне с пределом прочности 20 МПа используемая проч-
ность гранита и- аглопорита согласно рис. 4.4, одинакова, хотя вне
бетона они, конечно, не равнопрочны.
Для гранитного щебня характер зависимости /?3ИСП=/(А?г>), оче-
видно, должен быть таким же, как и для других заполнителей. Од-
нако на нашем графике уместился лишь участок восходящей вет-
ви. Это связано с высокой прочностью гранита, во всех случаях за-
ведомо большей, чем прочность примененного раствора и полученно-
го в наших опытах бетона.
В этой связи интересно заметить, что с повышением прочности
получаемых бетонов меняется понятие «высокопрочный» в отно-
шении заполнителя. По данным Ю. М. Баженова, в бетонах с пре-
делом прочности выше 100 МПа (с добавками суперпластифика-
торами при очень малых В/Ц) уже ощущается недостаточная проч-
ность заполнителя из гранита, требуются более прочные — из ба-
зальта, диабаза, габбро.
Но для обычных бетонов зависимость используемой прочности
гранитного заполнителя от прочности бетона можно считать линей-
ной. Чем выше прочность раствора, тем выше прочность бетона,
тем выше и используемая прочность заполнителя. В пределах пря-
мой 1 на рис. 4.4
С учетом выражения (4.3)
/?Г~1,5/?Р.С.
Поэтому минимальный предел прочности заполнителя должен
быть в 1,5 раза больше предела прочности растворной составляю-
щей и по крайней мере на 20% превосходить требуемый предел
прочности бетона. Это непременное условие полного проявления
эффекта «армирования», способствующего получению более проч-
ного бетона при той же прочности растворного скелета. Излишне
высокая прочность заполнителя не нужна, так как опа все равно
не используется.
Полученные результаты подтверждают правильность заключе-
ния Б. Г. .Скрамтаева о минимально необходимой прочности запол-
нителя, сделанного из других соображений еще в 1936 г.:
^'п=1,2/?б. (4.6)
Практически лучше, если прочность заполнителя выше мини-
мальной, особенно если необходим прирост прочности бетона в
61
будущем. По ГОСТ 10268—80 предел прочности исходной горпой
породы для дробления на щебень должен в 1,5... 2 раза превосхо-
дить требуемую прочность бетона. При этом условие (4.6) будет
обеспечено не только в 28-суточном возрасте бетона, но и через
6 мес (если учесть естественный прирост прочности цементного
камня).
Возвратимся к графику на рис. 4.4. Экстремальные точки кри-
вых 2 и 3 соответствуют случаю (/?з=/?р.с), когда формула (4.4) да-
ет правильный результат. На этом основании можно записать
(4.7)
Определение предела прочности заполнителей по максималь-
ной используемой прочности может быть рекомендовано как до-
полнение к методам испытания заполнителей в бетоне, описан-
ным в гл. 2.
Нисходящие ветви кривых на графике относятся к бетонам, в
которых заполнитель является слабым местом. Это определяет не-
равенство 7?б<^р.с- В этой области наличие относительно слабо-
го заполнителя предопределяет характер разрушения бетона под
нагрузкой. Бетон разрушается в такой последовательности: сна-
чала образуются трещины в заполнителе, возрастающая нагрузка
передается на ослабленный растворный скелет и, когда напряже-
ния в растворе достигнут предела прочности, несущая способность
его исчерпывается. В момент разрушения бетона участие заполни-
теля в восприятии нагрузки относительно невелико. Оно тем мень-
ше, чем больше прочность растворного скелета по сравнению с
прочностью заполнителя. Поэтому с увеличением прочности бето-
нов степень использования в них прочности относительно слабого
заполнителя снижается (нисходящие ветви кривых на рис. 4.4).
Определив испытанием в бетоне предел прочности пористого за-
полнителя /?3, можно установить, в бетонах каких марок этот за-
полнитель можно наиболее рационально использовать. Если пре-
дел прочности пористого заполнителя выше заданной прочности
бетона, то он не только уменьшает плотность бетона, но и в полной
мере участвует в формировании его прочности, не уступая (или поч-
ти не уступая) лучшему высокопрочному тяжелому заполнителю. Ес-
ли же предел прочности легкого пористого заполнителя ниже за-
данной прочности бетона, то его применение оправдывается только
необходимостью снижения плотности бетона, при этом прочность
последнего также снижается (на рис. 4.3 кривые все больше отхо-
дят от диагонали). Ослабление бетона менее прочным заполните-
лем проявляется тем существенней, чем больше различие в прочно-
сти раствора и заполнителя. Опыты показали, что когда прочность
раствора в бетоне в 2... 2,5 раза превышает прочность заполнителя,
последняя к моменту разрушения бетона совсем не используется,
т. е. роль заполнителя сводится лишь к образованию в бетоне «пус-
тот». В этом физический смысл известного понятия о предельной
62
прочности легких бетонов на
пористых заполнителях, вве-
денного А. И. Вагановым.
До сих пор была исследо-
вана прочность конгломерата
при условии надежности сцеп-
ления между его компонента-
ми. Если теперь рассмотреть
задачу шире и допустить, что
относительно слабым местом
в бетоне, определяющим нача-
ло его разрушения под нагруз-
кой, может быть не только
прочность того или иного из
компонентов, но и прочность
их сцепления, то можно рас-
пространить описанные выше
положения, например, на слу-
чай применения в бетонах при-
родного гравия, прочность зе-
рен которого может быть весь-
ма высокой, но сравнительно
гладкая поверхность и округ-
лая форма зерен не способст-
вует надежному сцеплению с
Рис. 4.4. Степень использования прочно-
сти заполнителей в бетонах различной
прочности:
1 — гранитный щебень; 2 — минский аглопо-
рит; 3 — витебский керамзит
пим цементного камня.
На основе опытов с бетоном на гравии, аналогичных описан-
ным выше, па рис. 4.3 получим некоторую кривую, похожую на
кривые 2 или 3, относящиеся к бетонам на пористых заполнителях.
На рис. 4.4 также получим соответствующую кривую с восходящей
и нисходящей ветвями. Только понятие используемой прочности
заполнителя приобретает несколько иное значение: ее максимум
будет соответствовать не собственной прочности гравия, как по
формуле (4.7), а прочности сцепления цементного камня с поверх-
ностью его зерен. Эта информация нужна для ограничения об-
ласти рационального применения данного гравия в бетонах опре-
деленной прочности. В пределах этой области гравий может при-
меняться наравне со щебнем, а в бетонах более высокой прочности
его применять не целесообразно.
Таким образом, эффективность использования того или иного
заполнителя в бетоне зависит не только от качества заполнителя,
но и от прочности бетона, в котором данный заполнитель при-
менен. Один и тот же заполнитель может в низкопрочном бетоне
способствовать повышению его прочности, а в высокопрочном, на-
оборот, ослаблять бетон.
Поэтому постоянные коэффициенты к формулам прочности бе-
тона типа (4.1), (4.2), рекомендуемые в учебной и справочной ли-
63
тературе для учета качества заполнителей, можно рассматривать
не более как ориентировочные оценки.
Обеспечение требуемого качества заполнителей приобретает
все большее значение, поскольку с каждым годом средняя проч-
ность бетона сборных конструкций, как правило, повышается.
К этому ведет индустриализация строительства, развитие и совер-
шенствование высокомеханизированной заводской технологии про-
изводства железобетонных изделий и дальнейшее повышение ка-
чества цемента.
С ростом производства конструкций из высокопрочных бето-
нов растут и требования к прочности заполнителей. Вместе с тем,
если требования к прочности заполнителей превышают минималь-
но необходимые, то это может привести к удорожанию заполните-
лей, неоправданно дальним перевозкам, недоиспользованию мест-
ных сырьевых ресурсов, в том числе и различных промышленных
отходов.
4.2. ПЛОТНОСТЬ БЕТОНА
Обычный бетон и железобетон при известных достоинствах име-
ют существенный недостаток — конструкции получаются сравни-
тельно тяжелыми. В изгибаемых железобетонных конструкциях не-
редко половина несущей способности используется на восприятие
собственного веса. Это особенно ощутимо в большепролетных кон-
струкциях и ограничивает возможности применения железобетона.
Использование легких бетонов позволяет снизить массу кон-
струкций на 20 ...40%, повысить их полезную несущую способность
или сократить расход арматурной стали. Кроме того, достигается
большой экономический эффект за счет сокращения затрат на
транспорт и монтаж конструкций, а также за счет снижения на-
грузки на все нижележащие конструкции.
• Снижение плотности бетона достигается в основном применени-
ем легких пористых заполнителей. Чем легче заполнитель, тем лег-
че бетон.
Однако если требуется получить легкий бетон определенной
прочности, необходимо считаться с тем, что чем легче пористый за-
полнитель,- тем-"меньше его прочность. При стремлении получить
высокопрочный бетон на очень легком, но низкопрочном заполните-
ле, приходится ограничивать его расход, увеличивая при этом рас-
ход цемента. В этом случае плотность бетона будет больше, чем
при применении достаточно прочного пористого заполнителя.
Возвратившись к рис. 4.3, заметим, что, например, для бетона
с заданной прочностью 5 МПа из трех рассмотренных видов запол-
нителей наиболее эффективен керамзит. Аглопорит и тем более гра-
нитный щебень по сравнению с керамзитом значительно утяжеляют
конструкции, а в формировании прочности низкопрочного бетона
не имеют перед ним преимуществ. В бетонах с заданной прочностью
64
20 или 30 МПа наиболее эффективен аглопорит, пористость кото-
рого такова, что обеспечивает минимальную плотность при не-
обходимой и достаточной для данного случая прочности.
Аналогичным образом следует решать вопросы выбора для лег-
ких бетонов одного из разнообразных природных или искусствен-
ных пористых заполнителей, который обеспечит оптимальное сни-
жение плотности при достаточной прочности.
4.3. УПРУГОСТЬ БЕТОНА
• Упругие деформации бетона под нагрузкой определяются моду-
лем упругости. Чем выше модуль упругости, тем меньше при дан-
ной нагрузке будет относительная деформация.
Помимо факторов, связанных с качеством цементного камня,
модуль упругости бетона зависит от содержания и качества запол-
нителей.
Бетон можно рассматривать как конгломерат из двух компо-
нентов: цементного камня (раствора) и заполнителя. Каждый из
этих компонентов занимает в сечении бетона определенную часть
и участвует в восприятии нагрузки.
Попытаемся выразить аналитически зависимость модуля упру-
гости бетона от модулей упругости его составляющих, приняв уп-
рощенные структурные модели бетона, в том или ином виде ис-
пользумые рядом исследователей.
Модель № 1, максимально упрощенная, может быть представ-
лена (рис. 4.5) в виде двух совместно работающих столбиков. Эта
модель положена в основу формул прочности бетона типа (4.4).
Выше была доказана ее неточность, однако пока используем ее
как первое приближение.
Объемное содержание заполнителя (в долях единицы):
н=КЖз+Гр).
Под действием равномерно распределенной нагрузки о модель,
согласно закону Гука, будет иметь относительную деформацию
в = о/£’б,
где Ес — модуль упругости бетона (модели в целом).
Эта вынужденная совместная деформация раствора и заполни-
теля определяет равенство:
с/£’б=0р/£'р=в3/£з, (4.8)
где ор и Оз — напряжения соответственно в растворе и заполнителе,
пропорциональные их модулям упругости; Ер и Еа— модули уп-
ругости раствора и заполнителя.
С другой стороны,
<’=<’зН+°р(1— Ю- (4.9)
3—462
65
I Illi Illi I 4
lllttllllk
Рис. 4 5. Модель бетона № 1:
1 — заполнитель; 2 — раствор
111III II1 к
fl и nt и к
Рис. 46. Модель бе-
тона № 2
Определив сгр и оъ из выражения (4.8) и подставив в форму-
лу (4.9), получим после простых преобразований
f6=FP+p(£3-£p). (4.10)
Модель № 2 (рис. 4.6) представлена в виде двух слоев, воспри-
нимающих нагрузку. В этом случае
е = езИ + ер(1 —И). (4-11)
где е3 и еР — относительные деформации соответственно слоев за-
полнителя и раствора.
Отсюда
Еб
Е3
Ер
И
(4.12)
1 — р. (1 — Лр/Л.,)
Модель № 1 соответствует гипотезе о равенстве деформаций
раствора и заполнителя в бетоне при различных напряжениях.
Модель № 2, наоборот, исходит из гипотезы равенства напряжений
при различных деформациях. На самом деле ни деформации, ни
66
Рис. 4 7. Модель бетона № 3
напряжения в компонентах бетона, отличающихся модулями упру-
гости, совпадать не могут.
Истинное значение £’б находится где-то в пределах, определя-
емых выражениями (4.10) и (4.12).
Модель № 3 (рис. 4.7, а) более близка к реальной структуре
бетона. Пусть заполнитель моделируется Кубом с ребром а внутри
бетонного куба с ребром А. В этом случае
3 5---
Р=а3М3; р'=а/Л = у р ;
Р,,=а2/А2=т/'р2.
Решим задачу двумя путями. Первый состоит в предваритель-
ном выделении среднего слоя высотой а и площадью ЛХЛ (рис.
4.7, б). Модуль упругости этого слоя по формуле (4.10)
р" (Е з-£р)=Ef + {Е3-Ер),
а для всей модели по выражению (4.12)
Е ___________________________________________________
б~ I ‘
L 1+^р2 (Е3/Яр-1) J
(4-13)
Второй путь состоит в выделении из модели столба сечением
а\а и высотой А (рис. 4.7, в). Модуль упругости столба по фор-
муле (4.12)
^'г_ _____£р_________________7т_________
1 — р/(1 — £р/£3) 1— р (1—£р/£а)
3*
67
а для всей модели по уравнению (4.10)
Е6=Ер+^(Е"-Е^ЕР ( 1+/W---------------5-^------------1])-
1 I4, (1 — Ер/Е3) _ )
(4-14)
В результате получены две новые формулы (4.13) и (4.14), ко-
торые дают более точный результат, чем ранее известные (4.10) и
(4.12). В табл. 4.1 представлены результаты расчета Ес/Ер по этим
формулам для некоторых соотношений Е3 и Ер при одном из воз-
можных значений ц.
Таблица 4.1. Отношения модулей упругости бетона и раствора, полученные
по расчетным формулам
Расчетные формулы £6/£р при ц=0.4
£з=2£₽ £3=о.5£р
I 2 3 4
(4.10) 2,2 1,4 0,8
(4.12) 1,43 1,25 0,71
(4.13) 1,84 135 0,79
(4.14) 1,67 1,32 0,77
Заметим, что если прочность заполнителя в бетоне не всегда
полностью используется и, следовательно, не всегда проявляется,
то модуль упругости заполнителя непременно отражается на мо-
дуле упругости бетона.
Наибольшие расхождения в результатах дают формулы (4.10)
и (4.12), наименьшие—(4.13) и (4.14). Последние охватывают
весьма узкий диапазон возможных значений Ес-
Модуль упругости гранита и подобных ему горных пород, часто
используемых для производства крупных заполнителей, составля-
ет около 50 000 МПа, что в среднем примерно вдвое выше модуля
упругости растворной части бетона. Для этого случая (табл. 4.1,
гр. 3) по формулам (4.13) и (4.14) получили, что модуль упру-
гости обычного (с крупным заполнителем) бетона должен на 32...
35% превышать модуль упругости раствора (мелкозернистого бе-
тона). Если обратиться к СНиП 2.03.01—84, где в результате обоб-
щения опытных данных приведены нормативные значения модулей
упругости различных бетонов, то в сопоставлении модулей упру-
гости обычных (тяжелых) и мелкозернистых бетонов найдем под-
тверждение реальности выполненных расчетов.
Однако горные породы типа базальтов имеют модуль упруго-
сти около 100 000 МПа. Поэтому модуль упругости бетона на ба-
зальтовом щебне выше нормируемого и более соответствует дан-
ным табл. 4.1, гр. 2.
68
Рис. 4.8. Эпюры напряжений в сечении X нагруженной полосы:
а — с отверстием; b — с абсолютно жестким диском, впаянным в от-
верстие (£3=оо)
Аналогично данные гр. 4 показывают, как снижается модуль уп-
ругости легких бетонов при использовании низкомодульных по-
ристых заполнителей.
Совместное решение уравнений (4.9) и (4.11) (А. С. Дмитрие-
вым) дало следующие выражения средних напряжений в заполни-
теле и растворном скелете бетона:
ср Е3 E6-Ev 1
03 5 • • ,
Еъ Е3 — Ер р.
„ср__Ev Ea—E6 1
Ср а---- • • ---- *
Е6 Е3 — Ер 1—[х
Соотношение между средними напряжениями в компонентах бе-
тона более сложно, чем отношение их модулей упругости, как это
представляется из рассмотрения простейшей модели бетона № 1
(см. рис. 4.5) и часто принимается в расчет.
Физическая сущность этого раскрывается с позиций теории уп-
ругости. Растворный скелет бетона можно представить как среду
с отверстиями, в которые вставлены зерна заполнителя той или
иной жесткости. Ради упрощения задачи рассмотрим случай рас-
тяжения (или сжатия) полосы с круглым отверстием (по отноше-
нию к бетону это означает, что А3=0) и случай, когда в такое от-
верстие впаян абсолютно жесткий диск (£3 = оо). На рис. 4.8 по-
казаны теоретические эпюры напряжений для этих случаев.
Из рассмотрения этих эпюр и других положений теории упру-
гости можно сделать следующие выводы относительно распределе-
ния напряжений в бетоне:
• эпюра напряжений в нагруженном элементе бетона может быть
прямоугольной только при Еа=Ер-, если же Е3>ЕР или E3<ZEV, то
эпюры криволинейны и тем в большей степени, чем больше Е3 от-
личается от Ер;
• в более слабом компоненте бетона эпюры напряжений выпук-
лы, а в более жестком — вогнуты;
69
Рис. 4 9. Эпюры напряжений в бетоне:
а — при F3<£p; б — при Е3>Ер
• по абсолютной величине напряжения в цементном камне (раст-
воре) при Еа<£г будут больше приложенной нагрузки о, а при
Е3>Е$ — меньше;
• степень кривизны эпюр и концентрации напряжений зависят от
отношения размеров а и Ь, т. е. от содержания заполнителя в бе-
тоне.
С учетом этих положений на рис. 4.9 изображены две эпюры
напряжений в бетоне для случаев Е3<ЕР и EE>EV. В точках 1,
2 или 3 в зоне контакта заполнителя с раствором в силу совмест-
ных деформаций компонентов бетона напряжения пропорциональ-
ны их модулям упругости:
с3/Е3=а^/Ер, откуда a'^^EjEp. (4.15)
Однако кривизна эпюр приводит к тому, что их площади, а сле-
довательно, средние напряжения и доли нагрузки, воспринимаемые
заполнителем и растворным скелетом в бетоне, относятся не так,
как их модули упругости.
Средние напряжения в заполнителе и растворе:
а Ь
J aadx j Oprfje
Для случая Е3<.ЕР:
азР^>0з (при выпуклой эпюре);
арР<С°!р(при вогнутой эпюре).
70
С учетом соотношения (4.15)
<£b?>EJEv
Соответственно при E3>EV
°сз7°₽р<^г
Отсюда следует вывод: доля нагрузки, воспринимаемой в бето-
не относительно слабым компонентом, всегда больше, чем следует
из соотношения модулей упругости, а более жесткий компонент
оказывается в бетоне недогруженным.
Это подтверждает описанное выше представление об исполь-
зуемой прочности заполнителей (см. рис. 4.4): прочность гранита
не используется полностью в бетоне, так как он недогружен (эпю-
ра вогнута), а прочность пористых заполнителей в бетонах чрез-
мерно высоких марок недоиспользуется из-за их относительной
перегрузки и преждевременного выхода из строя. Поэтому для
расчета прочности бетона не могут быть рекомендованы формулы
типа (4.4) и подобные им формулы, содержащие отношение мо-
дулей упругости:
R6=Rf.SV^VaEJEv).
Правильность изложенных выше теоретических положений
(С. М. Ицкович) подтверждается экспериментальными исследо-
ваниями, в частности с помощью фотоупругих покрытий (Ф. Ф. Гу-
бин и др.) и на моделях с тензодатчиками (М. Л. Нисневич и др.).
Знание закономерностей распределения напряжений при сов-
местной работе цементного камня и заполнителей в бетоне позво-
ляет подбором соответствующих заполнителей получать бетон с
требуемыми упругими свойствами.
Модуль упругости заполнителя Е3 следует предварительно оп-
ределять путем испытания заполнителя в бетоне с расчетом по
формуле (2.11), выведенной из (4.14).
4.4. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ БЕТОНА
• Теплопроводность — одно из важнейших свойств бетона, приме-
няемого в ограждающих конструкциях. Чем легче бетон, тем, как
правило, меньше его теплопроводность, поскольку уменьшение плот-
ности бетона связало с повышением пористости, т. е. с вовлечени-
ем в объем бетона воздуха, являющегося в небольших порах
прекрасным теплоизолятором.
Теплопроводность бетона в значительной мере определяется ви-
дом используемого заполнителя. Развитие производства пористых
заполнителей для легких бетонов сделало возможным массовое
применение легкобетонных стеновых панелей наружных стен в
жилищном строительстве, теплоизоляционных и конструкционно-
теплоизоляционных легких бетонов различного назначения.
71
Расчетная теплопроводность керамзитобетона при плотности
1000 кг/м3 составляет 0,41 Вт/(м-°С), что в 2 раза меньше тепло-
проводности кирпичной кладки, а при плотности 1200 кг/м3 —
0,52 Вт/(м-°С) и т. д.
Имеется определенная общая зависимость между плотностью
и теплопроводностью, однако возможны и существенные отклоне-
ния от этой зависимости. Известно, что аморфные материалы ме-
нее теплопроводны, чем кристаллические. Так, обычное силикатное
стекло с плотностью 2500 кг/м3 имеет теплопроводность примерно
0,8 Вт/(м-°С), т. е. такую же, как у кирпича, плотность которого
лишь 1700 кг/м3. Теплопроводность обычного бетона с плотностью,
близкой к плотности стекла, составляет примерно 1,4 Вт/(м-°С).
Поэтому с точки зрения требований теплоизоляции предпочти-
тельны заполнители, в составе которых больше стекла, например
шлаковая пемза, получаемая быстрым охлаждением поризованно-
го расплава (при быстром охлаждении расплава кристаллизация
не происходит). Действительно, исследования показали сравни-
тельно малую теплопроводность шлакопемзобетона.
Зависимость теплопроводности бетона от теплопроводности его
составляющих исследована С. М. Ицковичем теоретически на мо-
дели (см. рис. 4.7). В результате получены две формулы, в сущ-
ности аналогичные формулам (4.13) и (4.14):
Хб=---------------------------------- ; (4.16)
i-Утг 1-----------------------
1 +/и2 (ХзДр- 1) J
(4-17)
где Хб, %Р и Хз — теплопроводность соответственно бетона, раствора
и заполнителя; ц — объемное содержание крупного заполнителя.
Формулы (4.16) и (4.17) дают при расчете близкие результаты,
охватывающие область возможных реальных значений теплопро-
водности бетона на данном заполнителе. Входящий в эти формулы
показатель теплопроводности заполнителя Х3 определяется испы-
танием в бетоне при каких-либо зафиксированных параметрах 7Р
и ц с расчетом по формуле (2.12).
По опытным данным керамзитовый гравий с плотностью зерен
р3=0,79 г/см3 имел теплопроводность в бетоне 7.3=0,29 Вт/(м-°С),
аглопоритовый щебень при р3= 1,34 г/см3 — 0,56 Вт/(м-°С).
В. Г. Довжик исследовал подобным образом керамзит различных
заводов. Теплопроводность зерен керамзита с плотностью 0,49 ...
1,14 г/см3 составила 0,11.„О,4 Вт/(м-°С). Подтвердив в общем
известную закономерность роста теплопроводности материала с
увеличением его плотности, это исследование вместе с тем показа-
ло, что в конкретных случаях наблюдаются большие отклонения от
72
нее, главным образом из-за различий состава (содержания стек-
лофазы и кристаллических минералов). Поэтому нередко практи-
куемое ориентировочное определение теплопроводности бетона
или заполнителя по плотности может привести к ошибочным ре-
шениям.
На теплопроводность легкого бетона неплотной структуры
(крупнопористого или малопесчаного) существенное влияние ока-
зывает гранулометрический состав заполнителей, поскольку от не-
го зависит характер межзерновой пористости. Из двух видов бето-
на с одинаковым общим объемом пор мелкопористый, как прави-
ло, будет иметь меньшую теплопроводность, так как эффективная
теплопроводность воздуха, включающая и передачу излучением,
зависит от размера пор (по А. Миснару):
Х3=0,026+3,78£>,
где D — диаметр поры, м.
Теплопроводность бетона зависит также от его влажности. Теп-
лопроводность воды составляет 0,58 Вт/(м-°С), что во много раз
больше теплопроводности воздуха. Поэтому, если поры бетона
вместо воздуха заполняет вода, то теплопроводность его резко уве-
личивается, теплопотери через увлажненные ограждающие кон-
струкции возрастают, а в зимний период возможно их промерза-
ние. Теплопроводность льда составляет около 1,8 Вт/(м-°С), таким
образом с промерзанием увлажненного бетона его теплопровод-
ность еще более увеличивается.
Эксплуатационная влажность легкого бетона зависит от рав-
новесной влажности примененного пористого заполнителя в усло-
виях сорбции (т. е. поглощения влаги из окружающего воздуха) и
десорбции (высыхания переувлажненного заполнителя). Десорб-
ционная влажность, как правило, выше сорбционной, однако для
таких заполнителей, как керамзит, аглопорит, пемза, она при отно-
сительной влажности воздуха до 60... 80% составляет лишь сотые
доли процента и не имеет существенного значения. Такие запол-
нители, как древесные опилки, могут иметь равновесную влаж-
ность порядка 15%, а это сказывается на теплопроводности.
При приготовлении бетонной смеси и пропаривании изделий по-
ристые заполнители обычно переувлажняются. Поэтому большое
значение имеет скорость высыхания бетона, связанная с влагоот-
дачей заполнителя. Некоторые заполнители отличаются замедлен-
ной влагоотдачей. К их числу относится, в частности, мелкий вспу-
ченный перлит.
4.5. ПЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ БЕТОНА ПОД НАГРУЗКОЙ
Упругие деформации бетона под нагрузкой дополняются еще
и пластическими, необратимыми. При длительном действии нагруз-
ки проявляется ползучесть бетона, т. е. постепенно затухающая по
73
интенсивности роста, но проявляющаяся месяцы и годы пластиче-
ская деформация, которая может значительно превысить началь-
ную упругую деформацию.
• Пластические деформации бетона обусловлены свойствами це-
ментного камня — материала не совсем упругого. Заполнители же,
как правило, при эксплуатационных нагрузках деформируются уп-
руго, а не пластически.
Таким образом, заполнители в бетоне тормозят развитие плас-
тических деформаций цементного камня и тем в большей степени,
чем больше насыщен бетон заполнителем и чем выше модуль уп-
ругости заполнителя. Более жесткий заполнитель, как следует из
вышеизложенного, воспринимает большую долю нагрузки, несколь-
ко разгружая цементный камень. По мере проявления деформаций
ползучести последнего происходит перераспределение напряжений
в направлении еще большего нагружения высокопрочного заполни-
теля.
Естественно, что менее жесткие пористые заполнители не могут
в такой степени сдерживать пластические деформации цементного
камня. Поэтому ползучесть легкого бетона обычно больше, чем
ползучесть тяжелого бетона той же прочности.
4.6. УСАДКА БЕТОНА
• Твердение и высыхание цементного камня сопровождаются
усадкой, проявляющейся в уменьшении его объема. Линейные раз-
меры образцов из цементного камня за год или несколько лет
уменьшаются примерно на 2 мм/м.
Заполнители в бетоне, препятствуя усадочным деформациям
цементного камня, сопротивляются им и в результате оказывают-
ся обжатыми, тогда как цементный камень испытывает растяже-
ние.
При обжатии зерен заполнителя их деформации обратно про-
порциональны модулю упругости. Так, пористые заполнители де-
формируются значительнее, чем плотные; их сопротивление силам,
возникающим при уменьшении объема цементного камня, меньше.
Поэтому усадка легких бетонов на пористых заполнителях больше
и составляет примерно 0,5... 0,7 мм/м, иногда до 1 мм/м. Тяжелый
бетон на плотных жестких заполнителях дает усадку не более 0,2 ...
0,4 мм/м.
На усадочные деформации бетона влияет не только качество,
но и содержание заполнителей. Чем больше заполнителей в бе-
тоне и меньше цементного камня, тем меньше усадка. Наиболь-
шее насыщение объема бетона заполнителем достигается при оп-
тимальном его зерновом составе и наибольшей предельной круп-
ности. Заполнители с прерывистым зерновым составом обеспечи-
вают наименьшую усадку бетона. Мелкозернистые бетоны отли-
чаются повышенной усадкой (как и повышенной ползучестью).
74
Необходимо различать два проявления усадки: усадочные де-
формации и усадочные напряжения. Последние возникают в том
случае, когда осуществлению усадочных деформаций что-то пре-
пятствует. Как указано выше, в бетоне цементный камень вследст-
вие его усадки и сопротивления заполнителя оказывается растяну-
тым. Предварительное растяжение цементного камня в бетоне до
приложения внешней нагрузки — явление нежелательное, так как
уменьшает прочность бегона. Однако если учесть, что усадка —
процесс длительный, растягивающие усадочные напряжения в це-
ментном камне могут быть не столь опасны: постепенно происхо-
дит их релаксация вследствие ползучести цементного камня (это
один из примеров того, как нежелательное явление ползучести мо-
жет оказаться полезным). Благодаря пластическим деформациям
усадочные напряжения в бетоне носят временный характер и по-
степенно затухают.
Иное дело, когда усадочные напряжения оказываются столь
большими, что достигают предела прочности цементного камня при
растяжении. Тогда в цементном камне образуются микротрещины,
прочность бетона (особенно при растяжении), его водонепроницае-
мость, стойкость в агрессивных средах снижаются. Это нередко
наблюдается при применении высокомодульного (жесткого) круп-
ного заполнителя, особенно если последний расположен контактно
(зерно впритык к зерну), например при раздельном бетонировании,
когда в опалубку сначала укладывается крупный заполнитель, а
затем нагнетается раствор. Если такой бетон эксплуатируется в су-
хой среде, то хотя наблюдаемая усадка очень мала, необходимо
учитывать внутреннее напряженное состояние, чтобы исключить
трещинообразование.
Раздельное бетонирование применяется обычно в гидротехниче-
ском строительстве, когда сооружения эксплуатируются в водной
среде, и усадка там не происходит.
Из вышеизложенного следует, что для предупреждения прояв-
ления внутренних усадочных напряжений и трещинообразования
предпочтительно применение низкомодульных, в частности порис-
тых, заполнителей. При таких заполнителях обеспечивается це-
лостность цементного камня, что благоприятно сказывается на дол-
говечности бетона, его водонепроницаемости, стойкости в агрессив-
ных средах.
Описанные положения подтверждаются результатами изуче-
ния свойств различных бетонов на моделях, проведенного в Мос-
ковском инженерно-строительном институте им. В. В. Куйбышева
(Л. П. Орентлихер и И. П. Новиковой), и многочисленных опытов
других исследователей. Опыты, проведенные в Пензенском инже-
нерно-строительном институте (И. А. Ивановым и Н. И. Макриди-
ным), показали, что обжатие пористых заполнителей в бетоне при
усадке цементного камня может повысить их последующую дефор-
матнвность при растяжении.
75
В последние годы растет производство и применение в бетонах
расширяющихся, в том числе напрягающих, цементов. Вопрос вы-
бора заполнителей для таких бетонов изучен мало.
Если бетоны на обычном цементе претерпевают при твердении
усадочные деформации, то деформации бетонов на расширяющем-
ся цементе носят обратный характер. В этом случае расширяю-
щийся цементный камень, встречая сопротивление заполнителя,
оказывается сжатым, а заполнитель — растянутым. Но главное не
в перемене знака напряжений в компонентах бетона, а в том, что
новое напряженное состояние скажется на их сцеплении. Если
усадка цементного камня способствует сцеплению его с заполните-
лем (по крайней мере, до образования усадочных трещин), то рас-
ширение может нарушить контакт, особенно при применении плот-
ных заполнителей с высоким модулем упругости. В этом случае
еще в большей степени должны проявиться преимущества порис-
тых заполнителей; сцепление их с цементным камнем надежнее,
модуль упругости меньше. Следовательно, меньше будут растяги-
вающие напряжения в контактной зоне, больше объемное расши-
рение бетона, т. е. полнее будут использованы свойства расширяю-
щегося цемента. Это, по нашему мнению, должно способствовать
также сохранению высокой прочности расширяющегося легкого
бетона на пористых заполнителях.
4.7. ДОЛГОВЕЧНОСТЬ БЕТОНА
• Некоторые факторы долговечности бетона связаны с усадкой и
ползучестью, рассмотренными выше, другие также в значительной
степени обусловлены свойствами применяемых заполнителей.
Весьма важна способность бетона противостоять многократно-
му изменению температуры. Если разница между коэффициента-
ми температурного расширения цементного камня и заполнителей
велика, то при изменении температуры в бетоне могут развивать-
ся значительные внутренние напряжения, аналогичные усадочным
и иногда еще более опасные.
Проблемы трещиностойкости бетонов при температурных на-
пряжениях, связанные со свойствами применяемых заполнителей,
детально исследуются в Московском инженерно-строительном ин-
ституте им. В. В. Куйбышева (Г. И. Горчаковым и сотр.). В част-
ности, измерены температурные деформации заполнителей различ-
ной влажности в широком диапазоне температур.
Коэффициент линейного температурного расширения цементно-
го камня в интервале обычных эксплуатационных температур со-
ставляет (10... 18) 10 6 °C-1. У природных плотных горных пород,
используемых для производства заполнителей, коэффициент ли-
нейного расширения обычно несколько меньше. Это значит, что
при нагреве бетона в заполнителе могут возникать растягивающие
напряжения, а в цементном камне — сжимающие. Напряженное
76
состояние при этом аналогично случаю расширения цементного
камйя и может привести к нарушению сцепления между заполни-
телем и цементным камнем.
Опасно для таких бетонов и охлаждение — в цементном камне
могут возникнуть значительные растягивающие напряжения. Это
возможно, в частности, после термообработки (пропаривания) бе-
тонных изделий, т. е. когда температура эксплуатации ниже темпе-
ратуры формирования структуры бетона.
Еще более существенные напряжения могут возникнуть в бе-
тоне при его применении в особых условиях футеровки тепловых
агрегатов, печей и т. д. Используемые для этих целей жаростойкие
бетоны получают на специальных заполнителях.
Многократные колебания температуры в процессе эксплуата-
ции, вызывая появление внутренних напряжений, иногда знакопе-
ременных, могут привести к «расшатыванию» структуры, образо-
ванию трещин в бетоне. Необходимо предвидеть возможные терми-
ческие напряжения, уметь оценить последствия их действия.
Особый случай представляют заполнители с ориентированным
расположением кристаллов. Так, кристаллы ортоклаза, являюще-
гося составной частью гранитов, характеризуются термическим
расширением только в одном направлении — параллельно кристал-
лографической оси. Кристаллы плагиоклазовых полевых шпатов
имеют в различных направлениях разные коэффициенты линейно-
го расширения, а у кристаллов кальцита, составляющего известня-
ки и мраморы, коэффициенты линейного расширения отличаются
не только по значению, но и по знаку. При неравномерных дефор-
мациях подобных заполнителей в бетоне возникают большие со-
средоточенные силы.
Заполнители, состоящие из кристаллов с одинаковой ориента-
цией кристаллографических осей или включающие крупные моно-
кристаллы анизотропных минералов, при резких колебаниях тем-
пературы могут разрушить бетон. Поэтому из горных пород для
заполнителей предпочтительны такие, которые состоят из мелких
кристаллов со случайной, хаотической ориентацией.
Важным фактором долговечности бетона является его способ-
ность противостоять многократному попеременному увлажнению и
высушиванию, вызывающему разбухание и усадку цементного
камня.
Исследования, проведенные в Пензенском инженерно-строи-
тельном институте, показали, что разбухание и усадка при увлаж-
нении и высушивании свойственны также и некоторым пористым
заполнителям, в частности керамзиту. Это обстоятельство и глав-
ным образом относительная податливость пористых заполнителей
(меньший модуль упругости) приводят к уменьшению внутренних
напряжений в бетоне, способствуя его долговечности.
Как ни парадоксально, в ряде случаев на пористых заполните-
лях можно получить менее водопроницаемый бетон, чем на плот-
77
ных. Объясняется это тем, что вода просачивается не столько че-
рез заполнители, сколько через микротрещины в цементном кам-
не и в зоне контакта его с заполнителями, а такие микротрещины
в бетоне на пористых заполнителях менее вероятны.
Интересный факт описан в США. Затонувшее судно с корпусом
из керамзитобетона пролежало на дне моря более 30 лет. За это
время морская вода проникла в бетон лишь на глубину в несколь-
ко миллиметров. Стальная арматура корпуса, имевшая защитный
слой керамзитобетона 16 мм, не подверглась коррозии.
В строительстве гидротехнических сооружений накоплен уже
большой опыт применения бетонов на пористых заполнителях. Ке-
ра мзитобетон и аглопоритобетон успешно использованы в произ-
водстве напорных водопроводных труб.
• Водонепроницаемость — одни из важных факторов стойкости
бетона в различных агрессивных средах. В частности, работы, про-
веденные в Белорусском политехническом институте, свидетельст-
вуют о преимуществах аглопоритобетона перед обычным тяжелым
бетоном по стойкости к воздействию растворов хлорида калия и
других подобных солей, что имеет большое значение для долговеч-
ности строительных конструкций предприятий химической промыш-
ленности.
На способность бетона сопротивляться попеременному замора-
живанию и оттаиванию в насыщенном водой состоянии решающее
влияние оказывают морозостойкость самих заполнителей, свойства,
определяющие их сцепление с цементным камнем, и модуль упру-
гости заполнителей. Кроме того, при использовании пористых за-
полнителей имеет значение следующий фактор. Свободные поры
заполнителя при замораживании бетона являются резервуаром для
оттесненной воды за фронтом расширяющегося льда. Воздух в по-
рах сжимается и служит амортизатором возникающего давления.
Поэтому легкие бетоны на доброкачественных пористых заполни-
телях характеризуются высокой морозостойкостью.
В Московском инженерно-строительном институте предложено
определять коэффициент морозостойкости пористых заполнителей
следующим образом:
где щов — водопоглощение заполнителя по объему, определенное в
вакууме, %; wo48— водопоглощение заполнителя по объему, опре-
деленное в обычных условиях за 48 ч, %.
Величина в числителе формулы названа объемом «резервных»
пор. Между морозостойкостью заполнителя и коэффициентом ймрз
установлена прямая пропорциональность.
На долговечность бетона влияет химическое взаимодействие не-
которых заполнителей или содержащихся в них примесей с продук-
те
таМи гидратации и гидролиза цемента и водой. В частности, стан-
дартами ограничивается содержание в заполнителях органических
примесей и сульфатов, вызывающих коррозию цементного камня.
В глинистых породах, применяемых для производства искус-
ственных пористых заполнителей (керамзита, аглопорита), могут
встречаться вкрапления известняков. В результате обжига такого
сырья образуются частицы пережженной медленно гасящейся из-
вести (так называемый «дутик»), которая может через длитель-
ное время — уже в бетонной конструкции — вступить во взаимо-
действие с водой. Получаемый гидроксид кальция, как известно,
увеличивается в объеме, что может вызвать разрушение бетона.
В бетоне, эксплуатируемом во влажной среде, возможны так-
же медленно идущие и проявляющиеся в течение многих лет реак-
ции взаимодействия щелочей, содержащихся в цементе, с неко-
торыми кислыми минералами заполнителей, например с опалом
и другими видами химически активного аморфного кремнезема.
Гелеобразные продукты реакции распирают зону контакта, в ре-
зультате чего нарушается сцепление между заполнителем и це-
ментным камнем, в бетоне возникают трещины.
В литературе описаны случаи разрушения по этой причине пло-
тин, фундаментов, дорожных бетонных покрытий, мостов и других
сооружений из бетона. Впервые это явление привлекло внимание
исследователей США в 30... 40-х годах нашего века, так как ава-
рийное состояние многих сооружений потребовало для восстанов-
ления и ремонта огромных затрат.
Коррозию бетона при действии щелочей цемента на кремнезем
заполнителя исследовали В. М. Москвин, Г. С. Рояк, А. М. Викто-
ров и др. Детальный анализ различных аспектов химической ак-
тивности заполнителей дал Б. Н. Виноградов.
Для повышения долговечности бетона заполнители, активно вза-
имодействующие со щелочами, в цементных бетонах применяться
не должны. Исключение составляют некоторые пористые запол-
нители, для которых в силу развитой поверхности, открытой по-
ристости и надежности сцепления с цементным камнем такое взаи-
модействие, как показал опыт, не столь опасно.
Описанные выше и другие эксплуатационные факторы с тече-
нием времени могут привести к постепенному ослаблению бетона,
однако одновременно действует также фактор его упрочнения в
силу продолжающейся годы и десятилетия гидратации цемента.
Несомненно, долговечность бетона и бетонных конструкций связа-
на с ростом прочности, компенсирующим ослабляющие эффекты.
Известно, что увеличение прочности бетона во времени зависит
от вида цемента, состава бетона и условий эксплуатации, т. е. рост
прочности бетона определяется ростом прочности цементного кам-
ня. Но это положение верно только до тех пор, пока выдержива-
ется условие минимальной прочности заполнителя [см. форму-
лу (4.6)]. Соотношение прочности заполнителя и твердеющего це-
79
ментного камня в бетоне с течением времени меняется, и когда за-
полнитель оказывается самым слабым местом в бетоне, интенсив-
ность дальнейшего увеличения прочности бетона уменьшается. По-
этому рост прочности легких бетонов на пористых заполнителях
в ряде случаев может быть менее существенным, чем обычных тя-
желых бетонов при прочих равных условиях.
Испытание пористого заполнителя в бетоне дает возможность
прогнозировать рост прочности бетона. Пусть, например, требуется
определить, какой станет прочность аглопоритобетона через год
эксплуатации в нормальных условиях, если в возрасте 28 сут бетон
имел предел прочности 25 МПа. По результатам испытания агло-
поритового щебня строим график (см. рис. 2.5), по которому нахо-
дим, что пределу прочности бетона 25 МПа соответствует предел
прочности растворной части бетона 22 МПа. При использовании
песка с достаточно прочными зернами и обычного портландце-
мента можно ожидать, что прочность раствора будет расти соглас-
но известной формуле
р ___р *8^
где RT — предел прочности в возрасте Т; T?2s — предел прочности в
возрасте 28 сут; Т — возраст раствора, сут.
В таком случае через год предел прочности раствора будет
R365=22 -lg3f- =39 МПа,
5 1g 28
т. е. увеличится на 77%.
По графику (см. рис. 2.5) находим, что на растворе с пределом
прочности 39 МПа получается аглопоритобетон с пределом проч-
ности около 33 МПа, т. е. прирост прочности аглопоритобетона
за год может составить примерно 32%, тогда как прирост прочно-
сти бетона на высокопрочном гранитном щебне мог бы составить
77%. Таким образом, прирост прочности бетона может ограничи-
ваться прочностью заполнителей.
4.8. ОДНОРОДНОСТЬ БЕТОНА
• Однородность бетона по прочности и другим свойствам — важ-
нейший фактор надежности бетонных и железобетонных конст-
рукций.
Расчетные сопротивления бетона по действующим нормам про-
ектирования конструкций составляют лишь около половины про-
ектных значений прочности, поскольку приходится ориентировать-
ся не на средние показатели, а на статистически вероятную мини-
мальную прочность бетона, качество которого подвержено слу-
чайным колебаниям.
80
Цовышение однородности бетона открывает возможность его
болец эффективного использования при требуемой обеспеченности
его заданных параметров.
Однородность бетона по прочности наряду с другими фактора-
ми зависит от содержания и качества применяемых заполнителей,
особенно если какие-либо свойства последних ограничивают полу-
чение бетона требуемой прочности.
При попытке получить высокопрочный бетон на гладком ока-
танном гравии слабым местом является контакт цементного камня
с заполнителем, и чем больше будет в бетоне заполнителя, тем
меньшей окажется прочность бетона. В этом случае неточность
дозирования и неравномерное распределение заполнителя по объ-
ему бетона будут снижать однородность бетона по прочности и
тем значительнее, чем выше проектная прочность бетона.
Если свойства заполнителя обеспечивают надлежащее сцепле-
ние с цементным камнем в бетоне, а прочность заполнителя доста-
точно высока в соответствии с условием (4.6), то возможные
колебания содержания такого заполнителя в бетоне, как вытекает
из вышеизложенного, сравнительно мало скажутся на прочности
бетона и ее изменчивости.
Наконец, если прочность заполнителя недостаточна для полу-
чения бетона требуемой прочности, то и колебания содержания,
и неоднородность заполнителя могут весьма резко снизить одно-
родность бетона.
Поэтому однородность бетона обычно связывают с его проч-
ностью, хотя имеющиеся опытные данные нередко противоречивы.
Долгое время считалось, что чем выше прочность бетона, тем
выше его однородность. Это объясняли повышением культуры
производства, усилением технологического контроля. Однако по-
следующие исследования (А. Е. Десова, В. А. Вознесенского)
показали, что высокопрочные бетоны, наоборот, имеют меньшую
однородность. Последнее соответствует и представлениям, вытека-
ющим из вышеприведенного анализа влияния заполнителей на
прочность бетона.
Согласно ГОСТ 10268—80, предел прочности горной породы
заполнителей для тяжелого бетона должен превосходить проект-
ный предел прочности бетона не менее чем в 1,5 раза, если по-
следний ниже 30 МПа, и не менее чем в 2 раза, если он составля-
ет 30 МПа и выше. Однако здесь имеется в виду средний предел
прочности по результатам испытаний пяти контрольных образцов
породы на сжатие или двух проб щебня на дробимость по ГОСТ
8269—76. Если исходная горная порода неодородна по прочности,
то минимальный статистически вероятный предел прочности запол-
нителя может оказаться гораздо ниже среднего. Не исключено,
что он окажется ниже требуемого по формуле (4.6) и даже ниже
проектной прочности бетона, причем вероятность этого с увеличе-
нием проектной прочности бетона возрастает.
81
Однородность легких бетонов помимо общих технологических
факторов зависит от того, насколько рационально выбрана об-
ласть применения того или иного пористого заполнителя. Имеет
значение соотношение заданной прочности бетона и прочности
заполнителя в бетоне, причем последняя должна оцениваться не
только интегрально по средним показателям, но и характеристи-
кой однородности. Если заданный предел прочности бетона превы-
шает минимальное статистически вероятное значение предела
прочности заполнителя, а тем более среднее его значение, то одно-
родность бетона снижается.
Нередко стремятся получить легкий бетон как можно более
высокой прочности, не учитывая при этом, что при /?б>Дз повы-
шение прочности бетона сопровождается снижением его однород-
ности, поэтому расчетное сопротивление нельзя повысить без рис-
ка снизить обычный запас прочности конструкций. Отсюда в до-
полнение к вышеизложенному вытекают повышенные требования
к прочности заполнителей для бетона и их однородности.
Повышение однородности заполнителей, т. е. приближение ми-
нимального статистически вероятного предела прочности к средне-
му, столь же важно, как повышение среднего предела прочности.
Поэтому в последующих главах даются рекомендации по выбору
путей повышения однородности заполнителей методами обога-
щения.
Для легких теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоля-
ционных бетонов большое значение имеет однородность по тепло-
проводности. Учитывая связь теплопроводности с плотностью бето-
на, обычно для упрощения задачи определяют однородность бето-
на по плотности, причем вычисляют не минимальную, а макси-
мальную статистически вероятную плотность бетона.
На стабильность всех показателей качества бетона влияет
однородность применяемых заполнителей также по влажности,
крупности, форме зерен и т. д.
Поскольку высокоразвитая цементная промышленность СССР
обеспечивает стабильность качества цемента, а механизация и
автоматизация процессов приготовления и укладки бетонной смеси
позволяют обеспечить требуемые технологические параметры,
неоднородность заполнителей остается существенным препятстви-
ем повышению однородности бетона. Именно из-за неоднородно-
сти заполнителей в основном приходится увеличивать коэффици-
енты запаса прочности, используя потенциальные возможности
бетона в среднем только наполовину.
В научно-технической литературе понятие однородности бетона
в последнее время расширяется. Помимо характеристики изменчи-
вости результатов испытания отдельных образцов бетона вводится
понятие структурной однородности как характеристики изменчи-
вости прочностных, деформативных и иных свойств в объеме об-
разца. В этом аспекте рассматривается распределение между
82
структурными компонентами бетона внутренних напряжений от
внешней нагрузки, усадочных, температурных, примеры которых
описаны выше. Мелкозернистый бетон структурно более одноро-
ден, чем бетон с крупным заполнителем, что в некоторых случаях
дает ему определенные преимущества. Бетон на пористых запол-
нителях, свойства которых близки к свойствам цементного камня,
структурно более однороден, чем обычный тяжелый бетон.
Для получения бетона с требуемыми свойствами необходимо отчет-
ливо представить влияние на свойства бетона заполнителей, их содержания
и свойств. Понимание всех аспектов этого влияния обеспечивает правиль-
ный выбор заполнителей для достижения заданного качества бетона или
выбор области рационального применения в бетонах того или иного за-
полнителя.
л 1. Какие свойства заполнителей наряду с характеристиками цементного
камня определяют прочность бетона? 2. Как влияет на прочность бетона
сцепление цементного камня с заполнителями? Какие свойства заполни-
телей влияют на сцепление? 3. Может ли заполнитель повысить прочность
бетона? Каковы основные условия проявления «армирующего» эффекта за-
полнителя? 4. Какова минимально необходимая прочность заполнителя
для проявления «армирующего» эффекта? 5. В чем смысл понятия «ис-
пользуемая в бетоне прочность заполнителя»? 6. При каком условии на по-
ристых заполнителях удается получать высокопрочные легкие бетоны без пе-
рерасхода цемента по сравнению с тяжелыми бетонами на плотных заполни-
телях? 7. В чем физический смысл понятия о предельной прочности легких
бетонов на пористых заполнителях? 8. Как зависит модуль упругости бе-
тона от объемного содержания заполнителя и его модуля упругости? 9. Уяс-
нили ли вы значение криволинейности эпюр распределения напряжений
между структурными компонентами нагруженного бетона? Почему более
прочный и жесткий компонент в бетоне оказывается недогруженным, а от-
носительно слабый — перегруженным? 10. Как связана со свойствами за-
полнителей теплопроводность бетона? 11. Как связаны с содержанием и
свойствами заполнителей пластические деформации бетона под нагрузкой,
а также усадочные деформации, усадочные напряжения и опасность тре-
щинообразования? 12. Какова роль заполнителей в обеспечении долговеч-
ности бетона при многократных знакопеременных температурных воздейст-
виях, при изменении влажностного состояния? 13. Какова роль заполни-
телей в обеспечении водонепроницаемости и морозостойкости бетона?
14. В чем состоит опасность химического взаимодействия вещества запол-
нителей со щелочами цемента? Какие дополнительные испытания запол-
нителей в связи с этим бывают необходимы? 15. Как влияют заполнители
на интенсивность прироста прочности бетона с течением времени? Как
по результатам испытания заполнителя можно прогнозировать рост проч-
ности бетона? 16. Как влияют заполнители на однородность бетона по ос-
новным показателям качества? Какие требования к заполнителям опреде-
ляются необходимостью повышения однородности бетонов?
Глава 5
ЗАПОЛНИТЕЛИ ИЗ ПРИРОДНЫХ плотных
КАМЕННЫХ ПОРОД
Рассматриваемые в этой главе заполнители имеют на-
ибольшее применение. Они используются для получе-
ния обычных тяжелых бетонов, а также в ряде слу-
чаев для бетонов специального назначения.
5.1. СЫРЬЕВАЯ БАЗА
Плотные природные каменные горные породы — основная
сырьевая база для производства заполнителей.
• По происхождению, определяющему важнейшие отличительные
свойства, горные породы подразделяются на три класса: извер-
женные, осадочные и метаморфические.
Изверженные горные породы образовались в результате за-
стывания расплавленной магмы. Их структура и свойства зависят
от условий, в которых остывала магма. Глубинные (интрузивные)
изверженные породы, образовавшиеся при медленном остывании
магмы, отличаются зернисто-кристаллической структурой, тогда
как излившиеся (эффузивные) породы, образовавшиеся при срав-
нительно быстром остывании магмы на поверхности, застыли, не
успев закристаллизоваться, и имеют стекловатую, скрытокрис-
таллическую или порфировую (с кристаллическими вкраплениями)
структуру.
По химическому составу изверженные породы подразделяются
на кислые (SiO2 более 65%), средние (55 ... 65%) и основные
(менее 55%). К кислым относятся граниты — глубинные породы
зернисто-кристаллической структуры. Породообразующие минера-
лы гранита: полевые шпаты (в основном ортоклаз КгО-АЬОзХ
X6SiO2)—до 70%, кварц (кристаллический кремнезем SiO2) —
более 20%, слюды (гидроалюмосиликаты: светлая калиевая слю-
да — мусковит, темная железисто-магнезиальная — биотит) и др.—
около 5%. Из изверженных пород граниты наиболее широко ис-
пользуются для производства заполнителей.
Граниты имеют плотность 2600 ... 2700 кг/м3, близкую к
плотности составляющего их вещества, поскольку пористость
84
гранитов мала. Водопоглощение обычно не превышает 0,5%. Пре-
дел прочности при сжатии, как правило, более 100 МПа, часто
достигает 200 ... 250 МПа. Прочность при растяжении примерно
в 50 раз меньше. Цвет обычно красноватый или серый.
К средним изверженным породам относятся глубинные породы
(диорит, сиенит) и их излившиеся аналоги (андезит, трахит).
Последние весьма активно взаимодействуют со щелочами, поэтому
возможности их применения в цементных бетонах ограничены.
Они кислостойки и применяются в качестве заполнителей в кисло-
стойких бетонах на жидком стекле.
Диорит и сиенит отличаются от гранитов отсутствием кварца.
Встречаются они реже. Преобладает зеленоватая окраска — тем-
ная у диорита, светлая у сиенита. Предел прочности при сжатии
диорита—до 250 МПа, сиенита — до 180 МПа. Для производства
заполнителей могут применяться наравне с гранитами.
К изверженным горным породам с малым содержанием крем-
незема (основным) относятся глубинная порода габбро и излив-
шиеся базальт и диабаз. Эти породы отличаются особо высокой
прочностью (предел прочности при сжатии до 300 ... 500 МПа)
и большой плотностью (более 3000 кг/м3). Габбро — порода пре-
имущественно крупнокристаллическая, базальт и диабаз — мелко-
или скрытокристаллические. Цвет этих пород — от серого до черно-
го, иногда с зеленым оттенком. В значительных объемах исполь-
зуются для производства заполнителей.
Осадочные горные породы образовались в природе как резуль-
тат разрушения первичных пород. Под действием воды, ветра,
переменных температур, химической и биохимической коррозии
горные породы постепенно разрушались, распадались, образуя ма-
териал для новых, вторичных отложений.
Обломочные осадочные породы образовали залежи песка и
гравия—самых доступных, дешевых и широко применяемых запол-
нителей для бетонов. Это рыхлые породы, представляющие собой
скопление обломков материнской горной породы, чаще всего зе-
рен кварца как наиболее стойких (менее стойкие минералы гор-
ных пород, в частности гранитных, явились исходными реагентами
для образования глинистых минералов).
Кварцевыми называют пески с содержанием кварца более 60%
(нередко до 95%). Пески с содержанием зерен полевого шпата до
50% называют кварцево-полевошпатовыми, а при большем содер-
жании таких зерен — полевошпатовыми.
Большинство эксплуатируемых месторождений песка и гравия
аллювиального происхождения. Они образованы речными отложе-
ниями. Как известно, вода в зависимости от скорости течения
может переносить более или менее крупные зерна горных пород.
Когда при выходе в широкое русло или по иным причинам ско-
рость потока уменьшается, из воды выпадают более крупные
частицы горных пород, при дальнейшем уменьшении скорости
85
течения воды выпадают в осадок и менее крупные песчинки; лишь
пылеватые, илистые и глинистые частицы как более мелкие обыч-
но уносятся водой и отлагаются в последнюю очередь. Таким
образом, вода не только переносит и переотлагает залежи песка
и гравия, но одновременно промывает и сортирует их. Зерна
песка и гравия в речных (а также морских, озерных) отложениях
имеют более или менее окатанную форму.
Песок и гравий горные (овражные) ледникового происхожде-
ния не отсортированы, залегают в виде песчано-гравийных смесей
и часто загрязнены глинистыми примесями. Более окатанными
являются обычно крупные зерна гравия, мелкие же зерна могут
иметь шероховатую поверхность. Среди окатанных зерен много
менее прочных карбонатных (из обломков известняков).
Эоловые залежи песков, образованные ветрами (дюнные, бар-
ханные и т. п.), в бетонах применяются ограниченно. Эти пески
слишком мелки, а их зерна имеют очень гладкую, полированную
поверхность, что ухудшает их сцепление с цементным камнем.
Обломочные горные породы могут быть сцементированными.
Так, песчаники образовались в результате уплотнения песков (пре-
имущественно кварцевых) и склеивания их цементирующими ве-
ществами, принесенными просачивающимися водами. Отдельные
разновидности песчаников прочны (предел прочности до 150 МПа)
и применяются для производства заполнителей.
Значительное место в производстве заполнителей для бетона
отводится карбонатным осадочным породам — известнякам и доло-
митам.
В природе встречаются известняки главным образом органоген-
ного происхождения. Они представляют собой продукты жизнеде-
ятельности и отмирания различных организмов в водных бассей-
нах, скопившиеся, уплотнившиеся и частично кристаллизовавшие-
ся в течение длительных геологических процессов. Плотные кри-
сталлические известняки имеют плотность до 2700 кг/м3 и предел
прочности при сжатии до 200 МПа. Другие разновидности извест-
няков могут быть неоднородны по плотности и прочности.
Основной породообразующий минерал известняков — кальцит
СаСОз. Известняки стойки при воздействии щелочей в среде порт-
ландцементного камня отличаются хорошим сцеплением с ним в
бетоне. Имеют преимущественно светло-серый или желтоватый
цвет.
Доломит составлен одноименным минералом СаСОз-MgCOa.
Эта горная порода также может быть весьма плотной и прочной.
Распространены доломитизированные известняки с различной
степенью замещения карбоната кальция карбонатом магния.
В СССР карбонатные осадочные породы распространены в раз-
личных районах и составляют около 60% камня, перерабатывае-
мого на щебень. Они широко используются в качестве заполните-
лей для бетона.
8G
Метаморфические горные породы образовались в результате
изменения изверженных или осадочных пород в толще земной
коры под действием высоких давлений и температур, а также
сдвигов. Из метаморфических пород для производства заполни-
телей используются гнейсы — метаморфизированные граниты. От
гранитов гнейсы отличаются слоистым строением. Если слоис-
тость (сланцеватость) сильно выражена, то при дроблении такой
породы образуются пластинчатые зерна, что нежелательно.
Метаморфизированные кремнистые песчаники — кварциты,
представляют высокопрочную горную породу из сросшихся между
собой кристаллов кварца. Кварциты стойки к воздействию щелочей
и кислот. Однако сцепление их с цементным камнем недостаточное.
Мраморы образовались в результате перекристаллизации из-
вестняков, составлены кристаллами кальцита, часто с примесью
доломита. Имеют высокий предел прочности (до 300 МПа), раз-
нообразную окраску, при дроблении образуют зерна с шерохова-
той поверхностью, обеспечивающей хорошее сцепление с цемент-
ным камнем в бетоне.
Те или иные из перечисленных горных пород, пригодных для
получения высококачественных заполнителей, имеются во многих
районах страны. Выявленные запасы огромны, но систематическая
геологическая разведка продолжается и имеет целью, главным
образом, обнаружение месторождений нерудных ископаемых как
можно ближе к районам применения, крупным стройкам, базам
индустриального строительства.
При разработке месторождений природного сырья необходимо
предварительно оценить возможные экологические последствия.
Сырье необходимо добывать бережно, стремиться к его полному и
экономному использованию, а после выработки месторождения
производить работы по максимально возможному восстановлению
ландшафта и рекультивации земель.
5.2. ПЕСОК
Песок — мелкий заполнитель, в бетонной смеси наиболее тесно
связан с цементным тестом, составляя с последним растворную
часть. Чем больше песка вводится в смесь, тем большей (при про-
чих равных условиях) оказывается вязкость растворной части
(вязкость необходима для поддержания крупного заполнителя во
взвешенном состоянии во избежание расслаивания бетонной сме-
си), тем меньшим будет расход цемента. Однако чрезмерное со-
держание песка приводит к снижению прочности бетона. Поэтому
содержание песка должно быть оптимальным.
Пески подразделяются на природные (которые могут быть
также обогащенными и фракционированными) и дробленые (кото-
рые могут быть обогащенными, фракционированными, а также из
отсевов, получаемых при дроблении каменных пород на щебень).
87
Для обычного тяжелого бетона применяется песок с насыпной
плотностью более 1400 кг/м3, содержащий достаточно плотные и
высокопрочные зерна. Плотность зерен должна быть свыше
2,0 г/см3.
• 5.2.1. Зерновой состав. Зерновой, или гранулометрический, со-
став песка характеризуется содержанием в нем зерен различной
крупности и определяется просеиванием средней пробы через сита.
Набор стандартных сит для просеивания песка включает сита с
отверстиями 10; 5; 2,5; 1,25; 0,63; 0,315 и 0,16 мм.
Сита с отверстиями 10 и 5 мм служат для выявления засорен-
ности песка зернами гравия или щебня. Зерен крупнее 10 мм допу-
скается не более 0,5% (по массе), а крупнее 5 мм: в природном —
не более 10%, в дробленом из отсевов — до 15, в обогащенных
песках — до 5%.
Зерновой состав песка определяется после просеивания его
сквозь сито с отверстиями 5 мм, т. е. после удаления крупных
включений.
Пробу сухого песка массой 1000 г высыпают на сито с отвер-
стиями 2,5 мм, под которым располагаются остальные сита (в по-
рядке последовательного уменьшения размеров отверстий) и под-
дон. После просеивания песка через сита механическим или руч-
ным встряхиванием определяют частные остатки на ситах, выра-
жаемые в процентах к общей массе пробы, и полные остатки,
которые получились бы на каждом сите, если бы всю пробу песка
просеивали только сквозь него. Полные остатки находят суммиро-
ванием частных остатков на данном сите и всех ситах с более
крупными отверстиями (рис. 5.1).
По ГОСТ 10268—80 зерновой состав песка для тяжелого бето-
на должен соответствовать следующим требованиям:
Размер отверстий кон- трольных сит, мм 2,5 1,25 0,63 0,315 0,16
Полные остатки на контрольных ситах А, % 0... 20 5... 45 20... 70 35 ...90 90... 100
Таким образом, сквозь мелкое сито с отверстиями 0,16 мм
должно проходить не более 10% массы пробы песка.
Требования ГОСТ 10268—80 в графическом выражении пред-
ставлены на рис. 5.2. На такой график наносят результаты опре-
деления зернового состава конкретного вида песка, и если полу-
ченная кривая просеивания не выходит за пределы области, огра-
ниченной стандартом, то песок пригоден для бетона.
Зерновой состав песка характеризуется также модулем круп-
ности:
жк=2л/100>
88
Рис. 5.1. Частные и полные остатки на стандартных си-
тах:
а — частные остатки; б — полные остатки
где ЕЛ — сумма полных остатков на контрольных ситах, % (см.
рис. 5.1); 3154-^0,!6 = 5a2.s4_'^^i,
+ -2яо,з1б + Яо,16.
Отсюда следует, что наиболее существенно па ЕЛ влияют ча-
стные остатки песка а на верхних ситах (с более крупными отвер-
стиями). Чем крупнее песок, тем больше ЕЛ и модуль крупности.
Теоретически модуль крупности может принимать значения от
0 (если все зерна песка мельче 0,16 мм) до 5 (если все зерна
крупнее 2,5). Практически пределы колебаний модуля крупности
меньше.
По ГОСТ 8736—85 «Песок для строительных работ. Технические
условия» предусмотрено деление песка на группы по модулю круп-
ности и полному остатку па сите с отверстиями 0,63 мм (табл.
5.1).
По ГОСТ 10268—80 «Бетон тяжелый. Технические требования
к заполнителям» модуль крупности песка должен находиться в
пределах 1,5 ... 3,25, причем для бетонов с пределом прочности
20 МПа и выше модуль крупности песка должен быть не менее
2, для бетонов с пределом прочности 35 МПа и выше — не менее
2,5.
Коэффициент вариации модуля крупности песков, применяемых
для бетона гидротехнических сооружений, не должен превышать
Ю%.
При использовании песков рекомендуемого зернового состава
обеспечивается получение наилучших по свойствам бетонных
89
Рис. 5 2. Требования к зерновому соста-
ву песков для тяжелого бетона:
1—допускаемая нижняя граница крупности
(AfK=-l,5); 2 — рекомендуемая ннжняя грани-
ца крупности песка для бетонов BI5 (М200)
и выше (Л1К=2); 3 — то же, для бетонов В25
(М350) н выше (Л1К=2,5); 4 —допускаемая
верхняя граница крупности песков (М =3,25)
смесей при наименьшем расхо-
де цемента. Требования стан-
дартов базируются на резуль-
татах научных исследований и
богатом практическом опыте.
Вместе с тем эти требования
не всегда категоричны. Так, при
соответствующем технико-эко-
номическом обосновании допу-
скается использование в бето-
нах с пределом прочности 20
МПа и выше песков с модулем
крупности менее 2 . Например,
в пустынных районах Средней
Азии по разработкам МЙСИ
им. В. В. Куйбышева в бетонах
используются очень мелкие
барханные пески.
С зерновым составом песка
связана его пустотность. Хотя
этот показатель, как правило,
не определяют, но он косвенно
имеется в виду при нормирова-
нии зернового состава песка.
Как указано в гл. 2, пустот-
ность песка может'быть рассчитана по его насыпной плотности и
плотности зерен. Поскольку плотность зерен песка при данном его
минералогическом составе, как правило, колеблется мало, можно
считать, что пустотность в основном связана с насыпной плотно-
стью: чем больше насыпная плотность, тем меньше пустотность.
Рекомендуемые стандартами зерновые составы (см. рис. 5.2) обес-
печивают наибольшую насыпную плотность песка, наиболее ком-
пактную упаковку его частиц при наименьшей пустотности. На-
сыпная плотность сухого природного кварцевого песка составляет
примерно 1500... 1600 кг/м3, пустотность — 30...40%.
Цементное тесто в бетонной смеси обволакивает зерна песка,
покрывая их поверхность тонким слоем (обычно от 0,01 до
Таблица 5.1. Группы песка по крупности зерен
Песок Модуль крупности Полный остаток на сите с отверстиями 0.63 мм, %
Повышенной крупности 3 ... 3,5 65... 75
Крупный 2,5... 3 45... 65
Средний 2 ... 2,5 30... 45
Мелкий 1,5 ...2 10... 30
Очень мелкий 1 .,. 1,5 До 10
90
0,1 мм). Чем больше удельная поверхность зерен песка, тем боль-
шим будет расход цемента на их обволакивание и раздвижку.
Удельная поверхность составляет для фракции 2,5 ... 5 мм около
10 см2/г, а для мелких фракций песка— 100 ... 300 см2/г. Удель-
ная поверхность среднезернистых природных песков — 40 ...
70 см2/г, или 4 ... 7 м2/кг.
• 5.2.2. Содержание примесей. В песке, как правило, имеются
примеси, нежелательные в бетоне. Поэтому стандартами ограни-
чивается их содержание.
Наличие в песке пылевидных, глинистых и илистых примесей
(частиц размером менее 0,05 мм) определяется обычно отмучи-
ванием, состоящим в отмывке песка водой по определенной стан-
дартной методике. Навеску сухого песка в сосуде заливают водой
и выдерживают 2 ч, периодически перемешивая. Через 2 мин пос-
ле перемешивания верхний слой воды над песком сливают, добав-
ляют чистую воду и продолжают промывку песка, сливая загряз-
ненную и добавляя чистую воду до тех пор, пока вода над песком
после перемешивания не будет оставаться прозрачной.
После этого промытый песок высушивают до постоянной массы,
а содержание отмучиваемых примесей (%) определяют по формуле
Яотм= m~mi-100,
m
где m — масса высушенного песка до отмучивания, г; пц— масса
высушенного песка после отмучивания, г.
Допускается ускоренное определение содержания отмучиваемых
частиц пипеточным методом, который также состоит в промывке
песка водой, но отличается тем, что измеряется не потеря в массе
пробы песка, а содержание пылевидных и глинистых частиц, пе-
решедших в воду. Для этого загрязненную воду (суспензию)
после промывки песка набирают в пипегку определенной вмести-
мости и выливают в чашку. Затем воду выпаривают в сушильном
шкафу при температуре 105 ... 110°С и взвешивают оставшийся в
чашке порошок. Содержание в песке отмучиваемых частиц вычис-
ляют исходя из отношения объема отобранной в пипетку суспен-
зии ко всему ее объему.
Кроме того, существует метод определения содержания в песке
наиболее мелких глинистых частиц размером менее 0,005 мм. Этот
метод близок к описанному пипеточному, но отличается тем, что
суспензия, получаемая перемешиванием навески песка с дистилли-
рованной водой и небольшой добавкой раствора аммиака, отстаи-
вается в течение 1,5—2 ч для осаждения более крупных частиц, и
лишь после этого отбирается проба суспензии с глинистыми ча-
стицами.
При значительном содержании в песке отмучиваемых примесей
возможно снижение прочности и долговечности бетона. Особенно
91
нежелательны глинистые пленки, оболочки на зернах песка, нару-
шающие сцепление с ними цементного камня. Опасны также гли-
нистые примеси в виде комков из-за подверженности их значи-
тельному разбуханию при увлажнении и усадке при высыха-
нии.
Содержание глины в комках определяют при визуальной раз-
борке тонкого слоя крупных фракций песка на листе стекла сталь-
ной иглой после его увлажнения (комки увлажненной глины от-
личаются от песчинок вязкостью).
Согласно ГОСТ 8736—85, содержание отмучиваемых примесей
в природном песке не должно превышать 3% (по массе), в обога-
щенном— 2%, а в дробленом допускается 5%. Содержание глины
в комках допускается не более 0,5%, в обогащенном — не более
0,25%.
ГОСТ 10268—80 предусматривает требования к пескам в зави-
симости от вида бетона и условий эксплуатации конструкций.
В частности, для подводного бетона гидротехнических сооружений
допускается содержание пылевидных и глинистых частиц до 5%,
для надводного —3%, для зоны с переменным уровнем воды —
2%. Для бетона ряда конструкций (труб, мостов, гидро-
технических сооружений) содержание глины в комках не допус-
кается.
В песках большинства месторождений, особенно в слоях, за-
легающих близко к’ почвенному слою, возможны органические
примеси — продукты разложения веществ растительного и живот-
ного происхождения. Эти примеси (гумусовые кислоты) препятст-
вуют нормальному твердецию цементного камня, особенно в пер-
вые дни, резко снижая прочность бетона.
Содержание органических примесей в песке определяют с по-
мощью колориметрической (цветовой) пробы. Песок в стеклянном
мерном цилиндре заливают 3%-ным раствором едкого натра и
после перемешивания оставляют на 24 ч. В зависимости от содер-
жания органических примесей раствор окрашивается в желтова-
тый или коричневый цвет. Этот цвет сравнивают с цве-
том специально приготовленного эталона. Песок признается при-
годным для бетона,-если окраска раствора над ним светлее эта-
лона.
Эталон приготовляют, добавляя к 195 мл 3%-ного водного раст-
вора едкого натра 5 мл 2%-ного раствора танина в 1%-ном раст-
воре этилового спирта. Эталонный раствор взбалтывают и остав-
ляют на 24 ч, после чего он готов для сравнения, причем только
свежеприготовленный.
В некоторых странах в качестве эталона используют стекло
светло-желтого цвета. ч
Необходимо иметь в виду, что некоторые органические приме-
си могут сильно окрашивать раствор едкого натра, но не вредны
для бетона. Поэтому иногда песок и при окраске раствора темнее
92
эталона может быть применен для приготовления бетона, но толь-
ко после предварительного специального исследования.
Сущность такого исследования состоит в проверке влияния
органических примесей, содержащихся в песке, на прочность бето-
на. Для этого на исследуемом песке готовят две бетонные смеси
одинакового состава, по в одной из них применяют песок, про-
мытый в известковом молоке (нейтрализующем органические кис-
лоты), а затем в воде, в другой — промытый только в воде (орга-
нические примеси водой не отмываются, но промывка нужна для
того, чтобы две пробы песка ничем, кроме содержания органиче-
ских примесей, не отличались). Сравнение прочности бетона на
этих двух пробах песка показывает, действительно ли вредны
содержащиеся в песке органические примеси.
Содержание в песке аморфных разновидностей кремнезема,
рудных минералов, слюды, а также сернокислых и сернистых сое-
динений определяется петрографическим исследованием с разбор-
кой зерен под микроскопом и использованием для распознавания
минералов химических реактивов или иных методов.
Аморфные разновидности кремнезема, как указывалось выше,
реагируют со щелочами цемента и могут явиться причиной разру-
шения бетона вследствие объемного расширения новообразований.
Со щелочами взаимодействуют, в частности, следующие минералы-
и горные породы: опал, халцедон, кремний, некоторые стеклова-
тые излившиеся породы.
Опал представляет собой аморфный минерал состава SiO2-nH2O.
Содержит 1 ... 15% химически связанной воды. Бесцветен,
иногда белый, серый, со стеклянным блеском, характерной опале-
сценцией (связанное с названием этого минерала специфическое
явление «игры цвета»).
Халцедон — скрытокристаллическая разновидность кремнезема
(SiO2) тонковолокнистого строения, белого, серого, голубого или
красноватого цветов.
Кремни-сланцеватые осадочные породы, содержащие опал, хал-
цедон и кварц с глинистыми и известковыми примесями.
Если петрографический анализ указывает на наличие в запол-
нителе вышеназванных и им подобных минералов или горных
пород, необходимо провести специальное исследование заполните-
ля на реакционную способность.
ГОСТ 8735—75 предусматривает определение химическим ме-
тодом потенциальной реакционной способности песка к взаимодей-
ствию со щелочами цемента. Пробу песка с раствором едкого
натра выдерживают в термостате при температуре 80°С в течение
24 ч, а затем определяют массу растворившегося кремнезема.
Если в условиях опыта она превышает установленный стандартом
предел, то песок относят к потенциально реакционноспособному.
В этом случае необходима специальная проверка песка в бе-
тоне.
93
Действующие стандарты не предлагают определенной методики
проверки, но содержат указания на необходимость исследования
с учетом условий эксплуатации сооружений (ГОСТ 10268—80).
Реакционная способность заполнителя может быть выявлена
испытанием его в цементном растворе, для чего формуют из це-
ментно-песчаного раствора образцы-балочки (призмы) и в течение
продолжительного периода (до года) определяют их возможные
деформации. На реакционную способность заполнителя указывают
деформации расширения образцов. Поскольку расширение связано
с деструкцией (т. е. с явлениями нарушения целостности структу-
ры), реакционная способность заполнителей проявляется также в
снижении прочности образцов или в отставании прироста прочно-
сти от установленного при испытании контрольных образцов на
том же цементе и нормальном кварцевом песке.
Температурно-влажностный режим хранения образцов назнача-
ют с учетом условий эксплуатации конструкций, причем с целью
интенсификации возможных реакций для более раннего их прояв-
ления целесообразно повысить температуру и влажность среды.
Если приходится использовать заполнитель, содержащий реак-
ционноспособные разновидности кремнезема, то особые требования
предъявляются к цементу. В подобных случаях допускаются к
применению цементы с содержанием щелочей не более 0,6% в
пересчете на Na2O.
Содержание и допустимость присутствия в песке других вред-
ных примесей определяются аналогичным образом.
Нестойкие рудные минералы, в частности оксиды железа,
вследствие дальнейшего окисления и гидратации могут вызвать
появление внутренних напряжений в бетоне, а также бурых пятен
на поверхности конструкций.
Чешуйки слюды вредны, поскольку не сцепляются с цементным
камнем и являются в бетоне как бы зачаточными трещинами, где
при нагрузке неизбежна концентрация напряжений.
Сернокислые и сернистые соединения, содержащиеся в запол-
нителе, могут вызвать коррозию бетона и стальной арматуры.
Соединения серы в песке встречаются главным образом в виде
гипса или пирита. Гипс (CaSO4-2H2O), вступая в реакцию с
трехкальциевым алюминатом портландцемента и водой, образует
так называемую «цементную бациллу»—гидросульфоалюминат
кальция. Эта реакция сопровождается значительным увеличением
объема новообразований, вызывает расширение бетона и трещино-
образование. Пирит (серный или железный колчедан FeS2) в бето-
не со временем окисляется и взаимодействует с водой с образова-
нием гидроксида железа и серной кислоты, что сопровождается
увеличением объема и коррозией.
По ГОСТ 10268—80 для бетона гидротехнических и транспорт-
ных сооружений массовая доля сернокислых и сернистых соеди-
нений в песке не должна превышать 1%.
94
• 5.2.3. Влажность. Влаж-
ность песка существенно влия-
ет на его свойства, в частно-
сти на насыпную плотность.
Причем, если увлажнение дру-
гих строительных материалов
приводит, как правило, к уве-
личению их плотности, то пес-
ка— наоборот. Это объясняет-
ся тем, что влажный песок не
столь сыпуч, как сухой. Пле-
ночная вода, обволакивающая
зерна песка, имеет свойства
клея: песчинки слипаются в
агрегаты и в связи с этим при
засыпке в какую-либо емкость
не укладываются компактно, а
образуют рыхлую структуру.
Наибольшее разрыхление пес-
ка наблюдается при его влаж-
ности 4... 7%
ется на 10... 40%,
Рис. 5 3. Изменение объема песка ДР с
повышением его влажности:
/ — мелкий песок; 2 — крупный песок
шей— для мелких.
(по массе). Насыпная плотность при этом уменьша-
в меньшей степени для крупных песков, в боль-
При дальнейшем увлажнении песка пленки воды утолщаются
и теряют свойства клея. При влажности порядка 20% песок зани-
мает примерно такой же объем, как сухой рыхлонасыпной, а при
полной заливке водой даже уплотняется, поскольку в водной среде
уменьшается взаимное трение песчинок и облегчается их наиболее
компактная укладка.
Изменение объема свободно насыпанного песка в зависимости
от его влажности (рис. 5.3) необходимо учитывать при дозировке
песка для бетонной смеси и в других случаях, когда применяется
влажный песок, в частности при его добыче или обогащении гид-
роспособом.
Учет влажности песка очень важен. Во-первых, по содержанию
воды в песке необходимо скорректировать (уменьшить) расход
воды на замес. Во-вторых, следует увеличить расход песка. При
дозировании песка по массе поправка гораздо меньше, чем при
дозировании по объему. Опыт показывает, что неучтенное изме-
нение влажности песка только на 1 % может привести к измене-
нию подвижности бетонной смеси на 4 см или снизить предел
прочности бетона на 2 МПа, а в ряде случаев и более.
Обычно контроль влажности песка ведется в соответствии со
стандартной методикой периодическим отбором и высушиванием
проб (см. гл. 2). Однако продолжительность такого испытания
нередко снижает его ценность, поскольку влажность песка может
изменяться от замеса к замесу. Поэтому скорость и непрерывность
95
контроля влажности песка в процессе приготовления бетонной сме-
си имеет первостепенное значение.
В последние годы разработаны и уже нашли практическое при-
менение способы непрерывного контроля влажности песка непо-
средственно перед дозированием с автоматическим регулировани-
ем расхода материалов. Особенно удобны бесконтактные методы,
позволяющие непрерывно контролировать влажность песка, напри-
мер на ленте движущегося конвейера, с помощью радиоактивных
изотопов (по замедлению влагой потока быстрых нейтронов) или
радиоволн сверхвысокой частоты.
• 5.2.4. Добыча природного песка. Природный песок добывается
в песчаных и песчано-гравийных карьерах. Получение песка в по-
следних связано с сортировкой песчано-гравийной смеси.
По условиям залегания месторождений песка, как и других
полезных ископаемых, карьеры подразделяются на косогорные,
равнинные и водные. Косогорными называют карьеры, располага-
ющиеся на склонах возвышенностей. В этом случае место добычи
песка выше транспортных путей и окружающей местности. Такие
карьеры всегда сухие. В равнинных карьерах песок залегает ниже
поверхности земли и иногда ниже уровня грунтовых вод. Такие
карьеры могут быть сухими или обводненными. В зависимости от
способа разработки песка карьер либо осушают посредством водо-
отвода, дренажа, либо, наоборот, обводняют для последующей
добычи песка. В водных карьерах песок добывают из-под слоя
воды в руслах рек, в озерах и других водоемах.
Таким образом, песок в карьерах добывают или открытым
способом, или подводной разработкой. Открытый способ добычи
песка наиболее распространен.
Залежи песка в месторождении, как правило, скрыты под сло-
ем почвы, а также глинистых и других пород. Этот слой называ-
ют вскрышей, а отношение его объема к объему полезного иско-
паемого ( в данном случае песка) — коэффициентом вскрыши.
Вскрышные работы, т. е. удаление вскрыши за пределы карь-
ера и обнажение залежей полезного ископаемого, производят за-
благовременно во избежание загрязнения добываемого песка не-
желательными примесями. Вскрышные работы осуществляют буль-
дозерами, скреперами, иногда, при большой мощности слоя
вскрыши, экскаваторами с вывозкой в отвал.
После удаления вскрыши в карьере прокладывают траншеи
для образования рабочих уступов (рис. 5.4) и транспортных путей.
Высота уступа составляет 6 ... 10 м и более. Она связана с
высотой черпания применяемого экскаватора. Если песок залегает
в карьере более мощным слоем, то его добычу производят послой-
но. Ширина забоя также зависит от типа экскаватора и составля-
ет 1,2 ... 1,3 его радиуса черпания.
Для разработки песка в открытых карьерах используют раз-
нообразные экскаваторы, а также скреперы и другие машины.
96
3
Наиболее распространены одноковшовые экскаваторы с прямой
лопатой (вместимость ковша 0,25 ... 15 м3). Высота черпания та-
ких экскаваторов — 6...30 м, радиус черпания — 6 .. . 40 м.
Экскаваторы с прямой лопатой располагают на нижней площадке
уступа, как и транспортные средства.
Экскаваторы-драглайны отличаются тем, что их ковш совково-
го типа подвешен к стреле на канатах. Драглайн черпает ниже
уровня своей стоянки, поэтому может работать на верхней пло-
щадке карьера.
Все большее применение находят многоковшовые (многочерпа-
ковые) экскаваторы. Цепные многоковшовые экскаваторы пред-
ставляют собой конвейер с непрерывно движущимися вдоль отко-
са черпаками Выгрузка черпаков производится при их опрокиды-
вании на ленточный транспортер. Вместимость черпаков невелика,
но их в цепи до 40 шт., поэтому при непрерывной работе обеспе-
чивается высокая производительность. Ковшовая (черпаковая)
рама цепного экскаватора может располагаться под различным
углом как выше, так и ниже уровня стоянки экскаватора с обслу-
живанием транспорта на нижней или верхней площадке уступа.
Если песок в месторождении неоднороден и залегает слоями,
отличающимися по крупности зерен, то при добыче многоковшо-
4-462 97
вым экскаватором зерновой состав песка усредняется перемешива-
нием в пределах высоты разрабатываемого уступа, что является
положительным фактором.
Кроме цепных используются роторные многоковшовые экскава-
торы, рабочим органом которых является вращающееся на конце
стрелы роторное колесо с черпаками. Из черпаков добытый песок
выгружается на ленточный транспортер, расположенный внутри
стрелы и подающий песок в бункер, транспортные средства или
отвал. Роторные экскаваторы удобны для послойной разработки
песка.
Преимуществами многоковшовых экскаваторов перед одноков-
шовыми являются: непрерывность рабочего процесса экскавации,
ровная загрузка транспортных средств, большая производитель-
ность на 1 т массы, меньший удельный расход энергии.
Разработка месторождений песка ведется строго по карте, со-
ставленной на основании детальной геологической разведки. Каче-
ство и однородность песка систематически контролируются. Уча-
стки некачественного песка обходятся или разрабатываются с вы-
возкой в отвал.
Основным видом карьерного транспорта являются автосамо-
свалы и автотягачи с прицепами и полуприцепами (полуприцеп в
отличие от прицепа имеет только одну ось, а передней частью
опирается на сцепное устройство тягача). Используются также
самосвалы-троллейвозы с электродвигателями, питаемыми элект-
роэнергией по троллейным проводам на переносных опорах; трак-
торы с саморазгружающимися прицепами; железнодорожный
транспорт (мотовозы, электровозы, саморазгружающиеся вагоны
и платформы); подвесные канатные дороги и т. д.
В ряде случаев очень эффективен конвейерный транспорт в
виде непрерывной поточной линии ленточных транспортеров, осо-
бенно в сочетании с роторными или цепными многоковшовыми
экскаваторами. Применение конвейерного транспорта обеспечива-
ет непрерывность работы экскаваторов, повышая их производи-
тельность на 35 ... 50%, упрощает автоматизацию управления и
производства, снижает капитальные затраты и себестоимость до-
бычи песка. Имеется опыт эксплуатации как внутрикарьерного,
так и дальнего, многокилометрового конвейерного транспорта от
карьера к потребителю продукции.
Подводная добыча песка со дна водоемов в обводненных карь-
ерах может производиться с помощью экскаваторов-драглайнов,
канатных скреперов, землечерпалок, но наиболее эффективен гид-
ромеханизированный способ добычи.
Для разработки подводных месторождений используют плаву-
чие установки, называемые землесосными снарядами или земсна-
рядами. Они представляют собой понтон, перемещаемый и фикси-
руемый в определенной позиции с помощью тросов, якорей и свай-
ных устройств. На понтоне располагается землесос — мощный на-
98
сос центробежного типа. На дно опускается всасывающее устрой-
ство землесоса и при необходимости механический рыхлитель.
Землесос и рыхлитель работают совместно, причем разрыхленный
песок вместе с водой засасывается в трубу и в виде пульпы (гид-
росмеси) транспортируется по плавучему пульпопроводу, соби-
раемому из звеньев труб па поплавках.
Кроме центробежных землесосов для добычи и перекачки пуль-
пы используют гидроэлеваторы, работающие по принципу эжек-
тора.
Пульпа транспортируется в гидроотвалы — специальные склад-
ские площадки на берегу, откуда вода стекает в водоем. При этом
одновременно производится отмывка песка от пылевидных и гли-
нистых примесей, его обогащение и фракционирование.
Гидромеханизировэнная добыча песка применяется не только
для добычи песка со дна рек или других водоемов, но и в обвод-
няемых равнинных карьерах.
Месторождения песка, расположенные выше уровня воды,
можно разрабатывать с помощью гидромониторов. Гидромонитор
представляет собой управляемый трубчатый ствол конического
профиля с узкой насадкой на конце. Вода, подаваемая насосной
станцией из ближайшего водоема, выбрасывается через гидромони-
тор плотной струей с большой скоростью. Гидромониторы, исполь-
зуемые в горнорудной промышленности, способны разрушать высо-
конапорной струей воды даже прочные скальные породы. Для
добычи же песка достаточно давления воды 0,3 ... 0,5 МПа.
Гидромониторы в забое размывают залежь песка, и образую-
щаяся пульпа стекает в гидроотвалы самотеком, если обеспечен
требуемый уклон, или транспортируется по трубам землесосом.
• 5.2.5. Песок из отсевов дробления. Песок для бетона можно
получать попутно при дроблении скальных горных пород, особен-
но в районах, где отсутствуют природные пески удовлетворитель-
ного качества. Для получения дробленого песка можно использо-
вать изверженные, метаморфические или плотные осадочные гор-
ные породы, а также гравий.
В зависимости от прочности исходной горной породы в насы-
щенном водой состоянии установлены четыре марки песка из от-
севов дробления (соответственно с пределом прочности породы не
менее 100, 80, 60 и 40 МПа). Предел прочности изверженных и
метаморфических пород должен быть не менее 60 МПа, а осадоч-
ных горных пород — не менее 40 МПа.
Кроме прочности исходной горной породы важна и ее структу-
ра. Как показали исследования ВНИИнеруд, форма зерен дроб-
леного песка зависит в основном от двух факторов: структуры
дробленой породы и способа дробления.
Наилучшее качество песка получается при дроблении мелко- и
среднезернистых каменных пород. Шероховатость поверхности
зерен такого песка характеризуется высотой микрорельефа около
4* 99
170 ... 190 мкм, что обеспечивает паилучшее сцепление с цемент-
ным камнем в бетоне. Скрытокристаллические и стекловатые по-
роды, а также крупнозернистые дают при дроблении песок со зна-
чительным содержанием зерен пластинчатой и игловатой формы.
Микрорельеф их поверхности характеризуется, как правило, мень-
шей высотой. Кроме того, при дроблении крупнозернистой породы
полиминерального состава (например, гранита) образуются зерна
песка мономинеральные (кварц, полевой шпат, слюда), отличаю-
щиеся незначительным сцеплением с цементным камнем.
Способ дробления скальных пород связан с выбором дробиль-
ного оборудования. Установлено, что дробилки, работающие по
принципу сжатия породы (щековая, конусная, валковая), дают
большое число зерен пластинчатой и игловатой формы, а дробил-
ки ударного действия (молотковые) — значительно меньше.
Чем ближе форма зерен песка к кубической (в соответствии с
требованием стандарта), тем меньше его пустотность и, следова-
тельно, меньше расход цемента в бетоне.
К зерновому составу дробленых песков предъявляются общие
требования, изложенные выше.
Если горная порода не содержит нестойких рудных минералов,
аморфных разновидностей кремнезема и других вредных включе-
ний, то единственной нежелательной примесью в дробленых песках
может быть пыль (каменная мука), образовавшаяся при дробле-
нии. Она не столь вредна, как глинистые примеси в природном
песке, поэтому стандартом допускается несколько большее ее со-
держание.
В силу лучшего сцепления заполнителя с цементным камнем
прочность бетона на дробленом песке при прочих равных услови-
ях может быть выше, чем на природном кварцевом песке, причем
не только при сжатии, но еще в большей степени при растяжении.
Такие бетоны отличаются повышенной морозостойкостью и дру-
гими достоинствами.
Однако до настоящего времени мало используются отходы
камнедробления мельче 5 мм, получаемые в больших объемах при
производстве каменного щебня. Эти отходы при отделении от них
.каменной муки (промывкой или сухим обогащением) могут дать
хороший песок для бетона. Производство дробленого песка из
отсевов, в том числе обогащенного, предусмотрено ГОСТ 8736—85.
• 5.2.6. Обогащение и фракционирование. Если имеющиеся на
месте пески по зерновому составу или содержанию примесей не
соответствуют требованиям стандарта, а доставка качественного
песка сопряжена с большими расходами, то экономически целесо-
образно обогащать пески.
Обогащение песка достоит в удалении зерен крупнее 5 мм, от-
мывке пылевидных, илистых и глинистых частиц и улучшении
зернового состава.
100
Рис. 5 5. Схема спирального классификатора:
1 — загрузка песка; 2 — слив загрязненной воды; 3 — вращаю-
щаяся спираль (шнек); 4 — подача воды (брызгала); 5 — вы-
грузка промытого песка
Отделение зерен гравия производят грохочением песка на виб-
рационных плоских или в барабанных грохотах.
Промывку песка с целью удаления пылевидных, илистых и
глинистых примесей осуществляют в пескомойках или классифи-
каторах различной конструкции. Схемы двух таких машин пока-
заны на рис. 5.5 и 5.6.
Промывка песка состоит в перемешивании и перетирании его
в водной среде, в результате чего глинистые включения и пленки,
покрывавшие поверхность зерен песка, диспергируют и вместе с
пылевидными примесями переходят в шлам, сливаемый при не-
прерывной подаче чистой воды. Подобным образом работают
применяемые иногда корытные, драговые и другие пескомойки.
При получении песка сортировкой природной песчано-гравий-
ной смеси на грохотах промывку его нередко производят непосред-
ственно при грохочении путем орошения грохотов водой с после-
дующим удалением загрязненной воды. Качество промывки при
этом, как правило, ниже, чем при использовании специальных
пескомоек.
Промывка песка вызывает необходимость его последующего
обезвоживания, что усложняет технологический процесс, особенно
в зимнее время. Поэтому заслуживают внимания также и сухие
способы обогащения, например путем продувки сбрасываемого
песка потоком воздуха. Таким способом, конечно, нельзя удалить
пленки глины с поверхности зерен природного песка, но пылевид-
ные частицы из дробленого песка, в том числе из отсевов камне-
Дробления, удаляются.
Основная цель обогащения — обеспечение требуемого зерно-
вого состава песка. В ряде районов страны пески местных место-
101
Рис. 5.6. Пескомойка:
1 — подача воды; 2— выгрузка промытого песка; 3 — коль-
цевой элеватор; 4— конусный барабан; 5 — загрузка песка;
6— слив загрязненной воды
рождений слишком мелки. При их использовании в бетонах неиз-
бежен перерасход цемента на 20 ... 30, а иногда и на 50%. Такие
пески целесообразно обогащать добавкой привозного природного
крупного или дробленого песка.
Согласно ГОСТ 10268—80, в качестве крупной фракции для
обогащения мелких природных песков можно применять дробле-
ный песок, в частности из отсевов дробления.
Перспективным направлением, уже осуществляемым в про-
мышленности нерудных материалов, является фракционирование
песка, т. е. разделение его по крупности зерен на фракции. По-
следующее раздельное дозирование фракций при приготовлении
бетонной смеси обеспечивает постоянство зернового состава песка.
Это мероприятие предусмотрено действующими стандартами. Оно
необходимо в связи с тем, что пески почти всех месторождений,
как правило, недостаточно однородны по зерновому составу.
Даже в том случае, если зерновой состав песков удовлетворяет
требованиям стандарта, они могут быть неоднородны. Например,
полный остаток на сите с отверстиями 0,63 мм может колебаться
от 20 до 70%, т. е. песок может относиться к различным группам
по крупности (см. табл. 5.1), значительно отличаться пустотно-
стью и удельной поверхностью. При приготовлении бетона это
ведет к перерасходу цемента для компенсации вероятности наибо-
лее неблагоприятного зернового состава песка.
Фракционирование осуществляют разделением песка на две
фракции — крупную и мелкую — по граничному зерну, соответст-
вующему размерам отверстий контрольных сит 1,25 или 0,63 мм.
Таким образом, вместо обычного песка крупностью 0 ... 5 мм
потребителю может поставляться отдельно крупный песок
102
(1,25...5 или 0,63...5 мм) и мелкий песок (соответственно до
1,25 или 0,63 мм).
При фракционировании песка в карьере выход мелкой и круп-
ной фракций, естественно, может изменяться в значительных пре-
делах, поскольку песок в месторождении залегает неоднородно.
Но если при приготовлении бетона смешать фракцию мельче
0,63 мм и фракцию 0,63 ... 5 мм, например, в пропорции 1:1 (по
массе), то полученная смесь будет однороднее исходного песка.
Таким образом, фракционирование песка позволяет повысить
качество бетона и уменьшить расход цемента. Однако существуют
две проблемы. Первая состоит в выборе технологии фракциониро-
вания, вторая — в обеспечении условий эффективного использова-
ния песка, разделенного на две фракции. На большинстве дейст-
вующих предприятий по производству бетонных и железобетонных
конструкций, на бетоносмесительных заводах и узлах еще нет
условий для раздельного приема, складирования и дозирования
двух фракций песка.
В принципе возможна поставка фракционированного песка в
виде смеси фракций в заданных соотношениях, обеспечивающих
требуемый зерновой состав смеси. Однако осуществить это очень
трудно. Если не просто разделить песок на две фракции, то полу-
чить их однородную смесь при смешивании еще сложнее. Для
этого потребуется специальное смесительное оборудование, и
стоимость песка повысится. Поэтому единственно правильный
путь — создание на предприятиях по производству бетона условий
для раздельного складирования и использования двух фракций
песка с последующим их смешиванием в бетоносмесителях вместе
с другими компонентами бетонной смеси. Это необходимо преду-
сматривать при проектировании и строительстве новых предприя-
тий, а также реконструкции действующих.
Многофракционная смесь, какой является обычный песок, в
процессе пересыпки, истечения из бункеров, осыпания откосов
штабелей или конусов, при ‘транспортировании ленточными кон-
вейерами подвергается расслоению, сепарации по крупности
зерен, что затрудняет оптимизацию зернового состава. Отдельные
фракции песка, имея более узкий зерновой состав, менее склонны
к расслоению. Поэтому фракционирование песков и их раздельная
поставка потребителям целесообразны и с этой точки зрения.
Разделение песка на две фракции на ситах, легко осуществля-
емое в лаборатории, весьма затруднительно в производственных
условиях. Основной путь фракционирования, а заодно и обогаще-
ния песка— гидравлическая классификация.
Гидравлическая классификация зернистых материалов основа-
на на закономерностях, определяющих различную скорость осаж-
дения зерен разной плотности и крупности в водной среде. По-
скольку плотность зерен песка практические одинакова, гидравли-
103
Рис. 5 7. Схема гидравлического классификатора:
а — с подачей пульпы снизу (типа ГКД); б — то же, сверху (типа ГКХ); / —*
подводящая труба; 2 — разгрузочный патрубок для крупной фракции; 3 —
выход пульпы с мелкой фракцией песка. 4— классификационная камера; 5 —
сливная труба; 6— отбойный щиток; 7 — корпус приемной камеры класси-
фикатора; 5 —диффузор; Р —опора. 10— труба для подачи воды, // — коль-
цевая полость с окнами для подачи воды в классификационную камеру; 12 —
воронка; 13— поплавок; 14— приемно-разгрузочная камера, 15— цилиндры-ус-
покоители; 16—классификационная труба; 17 — задвижки; 18— тангенциаль-
ный подвод чистой воды
ческая классификация позволяет разделить песок по крупности
зерен.
Существуют различные гидравлические классификаторы: гра-
витационные (разделение зерен происходит за счет различия сил
тяжести) и центробежные (интенсивность разделения усиливается
центробежным ускорением за счет вращения потока).
Схемы гидравлических классификаторов, нашедших примене-
ние на ряде гидромеханизированных карьеров, показаны на рис.
5.7. Гидравлические классификаторы могут работать с подачей
гидросмеси (пульпы) снизу или сверху. В первом случае (рис.
5.7, а) гидросмесь от землесосного снаряда поступает в трубу 1,
откуда через диффузор 8 попадает в классификационную камеру
4. Мелкий песок восходящим потоком чистой воды увлекается из
камеры вверх и выходит через трубу 5. Крупная фракция оседа-
ет в воронку 12 и выдается через патрубок 2. Во втором случае
(рис. 5.7, б) гидросмесь, подаваемая сверху через трубу 1, раз-
104
деляется в приемно-разгрузоч-
ной камере 14, причем мелкие
зерна песка, скорость падения
которых в воде меньше скоро-
сти восходящего потока чистой
воды, увлекаются ею через
диффузор 8 в трубу 3, а более
крупные зерна, скорость паде-
ния которых в воде больше, не
увлекаются потоком восходя-
щей воды, попадают через
классификационную трубу 16
в воронку 12 и отводятся че-
рез трубу 2. Регулируя ско-
рость восходящего потока чи-
стой воды, можно добиться
требуемого разделения песка
по заданному граничному раз-
меру зерен.
Частичное обезвоживание
мелкого песка (сгущение) мо- Рис. 58. Схема гидроциклона:
ЖеТ ПРОИЗВОДИТЬСЯ в центро- /— входной патрубок; 2— сливной патрубок;
бежном классификаторе—ГИД- 5 —стальной корпус, футерованный изнутри
т с « износостойким материалом; 4— разгрузочное
роциклоне (рИС. 5.8). I идро- отверстие для песка; 5 — футеровка
смесь направляется в циклон
тангенциально и вращается вдоль стенок. При этом песчинки вы-
деляются из потока и, удерживаемые стенками, уходят вниз, вода
же с пылевидными и глинистыми частицами выпускается через
верхний патрубок. •
Для дальнейшего обезвоживания песка используется дренаж
на складе, а при необходимости также вибролотки и другие уст-
ройства.
К обогащённому и фракционированному пескам в стандартах
предъявляются повышенные требования в отношении содержания
зерен мельче 0,16 мм и отмучиваемых примесей. Зерновой состав
обогащенных песков должен соответствовать требованиям табл.
5.1 к крупному или среднему песку и, что особенно важно, коэф-
фициент вариации модуля крупности песка не должен превышать
3,5% или 5% соответственно для крупного и среднего песка. Та-
ким образом гарантируется стабильность зернового состава песка,
что для технологии бетона имеет первостепенное значение.
5.3. ГРАВИЙ
• Гравием называют каменные обломки пород крупностью от 5
(иногда от 3) до 70 мм (иногда более). Преобладающими поро-
дами, из которых состоят зерна гравия, являются граниты, гней-
сы, диабазы, известняки, песчаники.
105
Рис. 5.9. График зернового состава гравия (щебня): сплош-
ные линии для заполнителя одной фракции, пунктирные —
для смеси фракций 5 (3) ... 20 мм
Наиболее окатанными обычно бывают зерна гравия в руслах
рек и на побережьях морей (галька) — до формы яйца или оваль-
ного диска — с гладкой поверхностью, с которой цементный камень
в бетоне имеет плохое сцепление. Из-за недостаточного сцепления
гравий, как правило, не применяется в бетонах с пределом проч-
ности выше 30 МПа. Крупные фракции гравия используют для
дробления на щебень.
В ряде случаев гравий благодаря округлой форме зерен пред-
почтительнее щебня, например, если по условиям производства
работ необходимо получить подвижную, наиболее удобоукладыва-
емую бетонную смесь.
• 5.3.1. Технические требования. Гравий должен применяться в
виде следующих фракций, раздельно дозируемых при приготовле-
нии бетона: 5 ... 10; 10 ... 20; 20 ... 40; 40 ... 70 мм. Допускает-
ся использование гравия фракций 3 ... 10 мм, а для гидротехни-
ческого бетона также 40 ... 80 и 80 ... 120 мм. Кроме того, допу-
скается поставка гравия в виде смеси двух фракций, например 5
...20 мм.
Зерновой состав фракций должен находиться в пределах обла-
сти, показанной на рис. 5.9. В отдельных случаях предъявляются
более жесткие требования. Так, для фракций гравия с наимень-
шим размером зерен 5(3) мм содержание более мелких примесей
(запесоченность) ограничивается 5%. В гравии, предназначенном
для бетонирования тонкостенных конструкций, разрешается со-
держание примеси зерен крупнее наибольшего номинального раз-
мера данной фракции не более 5%.
Для оценки прочности гравий испытывают на дробимость в
стальном цилиндре по методике, описанной в гл. 2.
106
Стандарт предусматривает следующие марки гравия по пока-
зателю дробимости, которым ориентировочно соответствуют ин-
тервалы пределов прочности при сжатии горных пород (табл.
5.2).
Таблица 52 Марка гравия по дробимости в зависимости от его прочности
Наименование показателей Марка гравия
Др8 Др12 Др16 Др24
Показатель дробимо- стн, % Предел прочности при сжатии, МПа До 8 Более 100 8... 12 80... 100 12... 16 60 ...80 16... 24 40... 60
Поскольку зерна гравия состоят, как правило, из обломков
различных горных пород и неоднородны по прочности, вышепере-
численные интервалы пределов прочности можно отнести к сред-
ним показателям. Дополнительно стандарты устанавливают огра-
ничения по содержанию в гравии зерен слабых пород. Слабыми
считаются породы с пределом прочности при сжатии в насыщен-
ном водой состоянии менее 20 МПа.
Содержание слабых зерен в гравии определяют посредством
разборки средней пробы с визуальной оценкой, проверкой проч-
ности зерен легкими ударами молотка или проверкой твердости
зерен царапанием их стальной (для изверженных и метаморфиче-
ских пород) или алюминиевой (для осадочных карбонатных по-
род) иглой. На слабых зернах игла оставляет царапину, на проч-
ных— нет.
Отобранные из пробы гравия зерна слабых пород взвешивают
и определяют их массовую долю (%):
Хсл = -^ ЮО,
т
где тсл — масса зерен слабых пород; т—общая масса пробы
гравия.
Для выявления слабых зерен в крупном заполнителе можно
использовать также механический индикатор, фиксирующий уси-
лие при «откусывании» кусочка от каждого зерна. Содержание
зерен слабых пород в гравии марок Др8, Др12 и Др16 допускает-
ся не более 10%, в гравии марки Др24 — не более 15%.
ГОСТ 10268—80 «Бетон тяжелый. Технические требования к
заполнителям» устанавливает, что марка гравия должна быть не
ниже: Др8 — для бетонов с пределом прочности при сжатии
40 МПа и выше; Др 12 — для бетонов с пределом прочности от 30
до 40 МПа; Др 16 — для бетонов с пределом прочности ниже
107
30 МПа. Применение для тяжелого бетона гравия марки Др24 не
предусмотрено.
При использовании гравия для получения бетонов с заданным
пределом прочности 40 МПа и выше, а гравия с гладкой поверх-
ностью также и для бетона с пределом прочности 30 МПа и выше
требуется предварительное испытание в бетоне.
Для бетона транспортных сооружений, рассчитываемых на вы-
носливость, применение гравия не допускается. Подобные огра-
ничения предусмотрены и для ряда других конструкций и изде-
лий.
Зерен пластинчатой (лещадной) или игловатой формы (когда
один из размеров зерна может превышать другой в 3 раза и бо-
лее) в гравии допускается не более 35% (по массе). Это требова-
ние вызвано главным образом тем, что подобные зерна ухудшают
удобоукладываемость бетонных смесей. Для бетонов специального
назначения могут вводиться дополнительные ограничения.
Содержание в гравии отмучиваемых пылевидных, илистых и
глинистых частиц не должно превышать 1%. Особенно опасна
глина, обволакивающая зерна гравия, и в виде комков, которых
не должно быть более 0,25%.
Ограничения по содержанию органических примесей, определя-
емому колориметрической пробой, аналогичны установленным для
песка и описанным выше. Это же относится и к ограничениям по
содержанию рудных минералов, сернокислых и сернистых соеди-
нений, аморфных разновидностей кремнезема. Последние в гра-
вии могут быть представлены в большем разнообразии, чем в
песке. Необходимо, в частности, обратить внимание на зерна гра-
вия из кремня, опоки, а также песчаника, поскольку в нем часто
содержится реакционноспособный опаловый или халцедоновый
«цемент». Взаимодействуя со щелочами в бетоне, активный крем-
незем может оказаться очень опасным. По данным А. Д. Гумуля-
ускаса, в одном из гравийных карьеров, разрабатываемых в Ли-
товской ССР, содержится до 2% аморфного кремнезема. Из-за
этого прочность бетона может уменьшиться вдвое, в несколько раз
могут увеличиться деформации ползучести (что обнаруживается
не сразу, а примерно через 2 года эксплуатации конструкций).
В ряде случаев стандартами предусмотрено испытание гравия
на морозостойкость.
• 5.3.2. Добыча и фракционирование. Гравий чаще всего добыва-
ют вместе с песком при разработке песчано-гравийных месторож-
дений. Массовая доля гравия в песчано-гравийных смесях состав-
ляет в среднем 30 ... 40%.
Основные принципы организации карьеров и добычи песчано-
гравийной смеси мало отличаются от описанных выше способов
разработки месторождений песка.
При разработке месторождений добытая песчано-гравийная
смесь подвергается сортировке с отделением песка и разделением
108
гравия по крупности зерен на предусмотренные стандартом фрак-
ции.
I В настоящее время добываемые песчано-гравийные смеси не
всегда сортируют. Нередко их используют непосредственно для
приготовления бетона. Это проще, дешевле и может быть призна-
но в некоторых случаях целесообразным, если зерновой состав
прсчано-гравийной смеси близок к оптимальному для бетона и не
подвержен значительным колебаниям. Однако в большинстве слу-
чаев использование несортированной песчано-гравийной смеси
вцдет к ухудшению качества бетона, его неоднородности и пере-
расходу цемента. Песчано-гравийные смеси более, чем песок и
гравий в отдельности, склонны к расслоению. Поэтому они всегда
неоднородны. Если, как указано выше, признано целесообразным
фракционировать песок, то к песчано-гравийным смесям это отно-
сится в большей степени.
Для сортировки песчано-гравийной смеси используют грохоты,
а процесс разделения сыпучей смеси по крупности зерен называют
грохочением. Для грохочения необходимо движение смеси по ситу.
Иногда это достигается установкой грохотов под углом, превыша-
ющим угол естественного откоса смеси. В этом случае смесь дви-
жется самотеком. Такие грохоты называют неподвижными. В
большинстве случаев используют подвижные грохоты, на которых
процесс сортировки интенсифицируется.
Просеивающая поверхность грохотов может быть колоснико-
вой, штампованной или плетеной. В колосниковых грохотах она
собирается из отдельных линейных элементов колосников — стерж-
ней, специальных профилей, причем часть сортируемой смеси про-
валивается в щели между колосниками. Штампованные решета
изготовляют из листовой стали с круглыми или щелевыми отвер-
стиями. Тканые проволочные сита с квадратными или щелевыми
отверстиями выпускают из стальной проволоки простого перепле-
тения или со штампованием (каннелированием) для выравнива-
ния просеивающей поверхности и предотвращения раздвигания
проволоки.
Важным параметром просеивающих поверхностей является
живое сечение, или отношение площади просветов (отверстий)
ко всей площади сита или решета. Наибольшим живым сечением,
а следовательно, и производительностью отличаются проволочные
плетеные сита, однако их недостаток в сравнительно быстром
износе.
Размеры отверстий в ситах и решетах задают с таким расче-
том, чтобы зерна, которые требуется отсеять из смеси, свободно
проходили через них, а это зависит от скорости движения зерен
по решету, его уклона и толщины. Например, если нужно отсеять
зерна до 40 мм, то размер квадратных отверстий можно принять
при горизонтальном расположении грохота 42 мм, а при наклон-
ном (20°) — 45 мм и т. д. Чем больше размер отверстий, тем веро-
109
a)
Рис. 5.10. Схемы подвижных плоских
грохотов:
а — гирационного; б — инерционного
ятнее, что все зерна мельче за-
данного предела пройдут
сквозь сито и не останутся в
крупной фракции. Но при
этом возможно засорение мел-
кой фракции, крупными зер-
нами. Выбирают оптималь-
ный вариант, но на полное раз-
деление смеси рассчитывать
нельзя. Этим и вызваны допу-
ски в стандартах: в песке до-
пускается до 5 или 10% гра-
вия, а в гравии — до 10% пес-
ка. На практике уложиться в
эти пределы не всегда удается.
Для сортировки гравия ис-
пользуют подвижные грохоты
различной конструкции. Наи-
большее применение нашли
плоские грохоты, которые по характеру движения делятся на две
группы: качающиеся и вибрационные.
Качающиеся отличаются тем, что решета в них совершают
определенное принудительное движение благодаря жесткой кинема-
тической связи с движущим кривошипным механизмом (эксцент-
риком). На рис. 5.10, а показана схема грохота с круговым кача-
нием. Такие грохоты называют гирационными.
Вибрационные грохоты, называемые также инерционными, полу-
чают колебательное движение от расположенного на них вибрато-
ра-вала с дебалансами (рис. 5.10, б). Амплитуда колебаний и
траектории точек решета зависят от сил инерции дебалансов, а
также от упругости пружин, массы грохота и степени его загрузки
материалом.
Гирационные и виброгрохоты устанавливают на фундаменты с
пружинами или подвешивают к балкам перекрытия на стальных
тросах с пружинными амортизаторами. Решета обычно устанавли-
вают наклонно, однако возможно и горизонтальное их расположе-
ние при направленных колебаниях, обеспечивающих перемещение
сортируемого материала.
В грохотах может быть по одному, по два решета (сита) и
более. Крепятся они к раме грохота параллельно: сверху сито с
более крупными отверстиями, под ним с более мелкими. С каждо-
го сита получают определенную фракцию сортируемого материала.
Кроме плоских грохотов, распространены барабанные (рис.
5.11), в которых сортировка происходит при сравнительно медлен-
ном равномерном вращении цилиндрического решета вокруг на-
клонной оси. Если решета имеют коническую форму, то ось ба-
рабана может быть горизонтальной.
НО
Барабанные грохоты состоят из секций с отверстиями различ-
ных размеров, причем материал движется от мелкого решета к
крупному, как показано на рис. 5.11. Иногда используют бара-
банные грохоты с двумя или тремя концентрическими решетами,
расположенными одно в другом. В этом случае сортировка проис-
ходит от крупного к мелкому, как на плоских грохотах.
В последнее время при сортировке нерудных строительных ма-
териалов нашли эффективное применение резиновые сита струнно-
го типа на плоских грохотах. Они представляют собой набор па-
раллельных шнуров из износостойкой резины диаметром 6,5 ...
15 мм, натянутых на стальной раме с промежуточными поддержи-
вающими планками. Используют также штампованные сита из
резины или синтетических полимеров. Исследование показало пре-
имущества таких сит: прирост производительности, более чистый
рассев, уменьшение шума и, главное, высокая износостойкость.
Материал, прошедший через решето грохота, называют подре-
шетным продуктом (нижний класс), материал, не прошедший че-
рез решето,— надрешетным продуктом (верхний класс). Для оценки
работы грохотов обычно вычисляют коэффициент качества грохо-
чения (%), называемый также эффективностью грохочения:
£=— 100=-^ --~с 100,
а а 100 — с
где b — выход нижнего класса, % к массе всего материала (на-
пример, фактический выход песка из песчано-гравийной смеси);
а — массовая доля мелкой фракции в исходном материале (содер-
жание песка в песчано-гравийной смеси), %; с — засоренность
верхнего класса мелкой фракцией (массовая доля песка в гра-
вии), %.
Если значение с не должно превышать 5%, то эффективность
грохочения, например, при а=60% должна быть не менее
Е=— . 60 ~ 5 юо= 96,5%.
60 100 — 5
111
Если допускается с=10%, то требуемая эффективность грохо
пени я Е=93%.
При однократном грохочении значение Е, по опытным данных,
составляет для барабанных грохотов около 60%, для качающих-
ся— до 90, для вибрационных — до 98Не-
эффективность несколько повышается при мокром грохочении,
когда смесь на грохоте орошается водой. При этом гравий про-
мывается с удалением отмучиваемых примесей вместе с нижни
|И
классом.
Производительность вибрационных грохотов (м3/ч)
Q=cFq 4тп. ор,
где с — коэффициент использования поверхности сита; для верх-
него сита с= 1; 0,85 и для нижнего при загрузке грохота мате-
риалом по ширине соответственно более 70 и менее 65% с=0,8 и
0,7; F— рабочая площадь сита, м2, для грохотов ГИС-62, ГИС-52,
ГИС-42 принимают соответственно 9, 7, 5, для ГИТ-41—Г=4,5;
q — удельная объемная производительность 1 м2 сита с квадрат-
ными отверстиями, м3/(м2-ч); для металлического сита с размером
отверстия 3, 5, 10, 20, 40, 80 и 100 мм соответственно <7=7, 11,
19, 28, 38, 56 и 63; k, I, т, п, о, р — поправочные коэффициенты;
k и I учитывают процентное содержание зерен размером соответ-
ственно меньше половины и больше отверстия сита; £=0,6... 2,0
при содержании от 20 до 90% с интервалом 0,2 через каждые
10%; /=0,94; 0,97; 1,0 для 10, 20, 25% и /=1,03; 1,09; 1,18; 1,32;
1,55; 2,0; 3,36 при содержании 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90%; т —
зависит от эффективности грохочения Е:
Е, % 70 80 90 92 94 96 98
т 1.6 1,3 1,0 0,9 0,8 0,6 0,4
п=1,0 и 1,25 для дробленого материала и гравийно-песчаной мас-
сы; о=1,0 и 0,75 ... 0,9 соответственно для сухого и влажного
материала; р=1,25 ... 1,4 при грохочении с орошением на ситах
с размером отверстий менее 25 мм, в других случаях при сухом и
мокром грохочении р=1.
При добыче песчано-гравийной смеси гидромеханизированным
способом пульпу (гидросмесь) направляют в конический гидро-
грохот для разделения гравия и песка. Конический гидрогрохот
(рис. 5.12) имеет внутри вмонтированное коническое решето, в
которое тангенциально подается исходная гидросмесь со скоро-
стью 2,5 ... 5 м/с. Разделение песчаной пульпы и гравия проис-
ходит под действием центробежной силы и давления верхних сло-
ев гидросмеси.
112
При внутреннем диаметре
цилиндрической части корпуса
,1... 3 м средняя производи-
ельность гидрогрохотов со-
ставляет 20.. 400 и 200...
4000 м3/ч соответственно по
твердому продукту (гравию) и
гидросмеси (воде с песком).
Последняя направляется в гид-
равлические классификаторы,
а 1гравий дальнейшим грохоче-
нием разделяют на фракции
па крупности зерен.
• 5.3.3. Промывка. При гидро-
механизированной добыче про-
мывка гравия и удаление пы-
левидных, глинистых и или-
стых частиц осуществляется
попутно. При сухой разработ-
ке месторождений добытый
гравий может быть промыт
орошением водой в процессе
грохочения.
Барабанные грохоты (гра-
виесортировки), используемые
Рис. 5 12 Конический гидрогрохот:
1 — патрубок для отвода песчаной пульпы;
2 — патрубок для отвода гравия; 3 — кониче-
ская часть корпуса,. 4 — коническое решето;
5 — цилиндрическая часть корпуса; 6 —
крышка
для одновременной промывки гравия, называются гравиемойками.
Пх применяют при небольшой загрязненности гравия главным об-
разом пылевидными примесями.
Одпако в ряде случаев гравий содержит трудноотмываемые
глинистые примеси, для удаления которых необходима не только
промывка водой, но и интенсивное механическое воздействие в
специальных машинах. Например, в скруббер-бутаре (рис. 5.13)
крупный гравий обрабатывается при вращении барабана, облицо-
ванного изнутри стальными листами с шипами, в результате чего
намокающая глинистая пленка сдирается с поверхности зерен.
В корытной мойке, представляющей собой наклонное корыто с
одним или двумя шнеками (вращающиеся валы с лопастями), это
происходит при перемешивании гравия в водной среде. Корытные
мойки получили широкое распространение на заводах нерудных
строительных материалов В серийно изготавливаемых корытных
мойках К-12 и К-14 производительностью соответственно 70 и
100 м3/ч промывают материал крупностью до 40 мм. Время про-
мывки 2 ... 3 мин, а расход воды 2,5 ... 3 м3/т.
В последнее время внедряются эффективные вибрационные
промывочные машины с рабочими органами в виде труб, желобов
или плоскостей. Вибромойки применяют преимущественно для
промывки материала крупностью 20 ... 120 мм с содержанием
ИЗ
Рис. 5.13. Схема скруббера-бутары для промывки гра-
вия:
1 — загрузочный лоток; 2 — барабан со стальными шнпамн; 3 —
сетчатая часть (бутара); 4— подача воды
средне- и труднопромывистых включений до 10 ... 12%. Произ-
водительность вибромоек 30 ... 70 м3/ч, расход воды 40 ...
100 м3/ч. Схема одной из вибромоек представлена на рис. 5.14.
Промывка гравия осуществляется в перфорированных слегка на-
клонных желобах. Под действием вибрации гравий в желобах раз-
рыхляется и, совершая винтообразное движение, перемещается к
разгрузочному концу. При орошении сверху водой и взаимном
трении зерен глинистые примеси смываются.
Рис. 5 14. Вибромойка:
1 — перфорированные желоба; 2 — подача воды; 3 — пружинные
подвески; 4— вибратор; 5 — загрузка гравия
114
Исследования показали, что в не-
которых случаях в промывочную воду
1елесообразно вводить синтетические
ноющие средства. Эти поверхностно-
; ктивные вещества улучшают качест-
во промывки заполнителей и уменьша-
ют их остаточную влажность (по дан-
ным Ю. Р. Певзнера и А. В. Кучина в
215 раза), что важно в зимнее время,
когда необходимо предотвратить смер-
зание зерен.
В Ярославском политехническом
институте разработана эффективная
технология промывки заполнителей в
вибромойках с водооборотной систе-
мой, позволяющей уменьшить расход
воды в 20... 50 раз. Для интенсифика-
ции процесса осветления промывочной
воды предложено вводить в нее по-
верхностно-активное вещество-— поли-
акриламид. По данным В. П. Зыковой
и В. Б. Ратинова, остатки этого веще-
ства на поверхности заполнителя, со-
ставляющие в бетонной смеси до
0,001% по отношению к расходу це-
Рис 5 15 Сепарация гравия по
упругим свойствам зерен:
/ — обогащенный гравий высокого
качества; 2 — промежуточный класс;
3 — гравий низкого качества; 4 —
упругая плита; 5 — возвратна пов-
торную сепарацию; 6 — питатель;
7 — исходный гравий
мента, оказывают пластифицирующее
действие, повышают прочность и мо-
розостойкость бетона.
• 5.3.4. Обогащение. Гравий часто не
соответствует требованиям стандарта
по содержанию слабых зерен, т. е. со-
держит их более 10%. Кроме того, ос-
тальные зерна гравия также не рав-
непрочны. Сортировка гравия по прочности зерен позволила бы
выделить некоторую часть для использования в неответственных
сооружениях, а оставшийся высокопрочный гравий можно было
бы применить в качестве заполнителя более эффективно. Такой
процесс обогащения гравия, а также и щебня можно осуществить
косвенно несколькими способами: разделением по упругим свой-
ствам, трению, плотности зерен и т. д.
Один из самых простых и доступных способов разделения
гравия по упругим свойствам зерен показан на рис. 5.15. Исход-
ный гравий с помощью питателя распределяется монослоем (т. е.
слоем в одно зерно) и сбрасывается вниз. Падая с определенной
высоты на наклонную стальную плиту, зерна гравия в силу своей
упругости отскакивают от нее под различным углом отражения,
имея разные скорости и траектории. Прочные и более упругие зер-
115
Рис. 516 Разделение гравия (щеб- Рис. 517. Барабанный сепаратор
ня) по скорости движения зерен
на отскакивают дальше, слабые — ближе и собираются, в отдель-
ные бункера. Конечно, при этом значителен элемент случайности:
дальность отскока зерен определяется не только их упругостью,
но и формой, крупностью (отличающейся даже в пределах стан-
дартной фракции) и тем, как зерно ударяется о плиту (плашмя
или же ребром, углом). Но все же вероятность попадания слабых
зерен в бункер обогащенного гравия мала. Промышленный опыт
свидетельствует о достаточной эффективности такого обогащения.
Простейшим приемом обогащения с использованием различия
сил трения отдельных зерен является применение наклонных пло-
скостей, устанавливаемых несколько круче угла естественного от-
коса обогащаемого материала (рис. 5.16). В зависимости от ско-
рости движения по наклонной плоскости зерна попадают в опре-
деленный бункер.
В институте «ВНИИЖелезобетон» разработан сепаратор, прин-
цип действия которого основан на различии зерен как по силе
трения, так и по упругим свойствам. Он представляет собой сталь-
ной цилиндр (барабан), вращающийся против потока материала
(рис. 5.17). Обогащаемый материал подается через направляю-
щую воронку на барабан. Более прочные зерна отскакивают в
одну сторону, а сравнительно слабые увлекаются барабаном в
другую.
Разделение по плотности зерен, называемое также гравитаци-
онным, основано на том, что более прочны£ зерна, как правило,
являются и более плотными, тяжелыми, а слабые — более пори-
стыми, легкими.
116
Рис. 518 Расслоение при
встряхивании:
а — начальное состояние; б — ко-
нечное состояние
Рис. 519. Поршневая отсадочная ма-
шина:
/ — поршень; 2 — легкая фракция; 3 — тяже-
лая фракция; 4 — неподвижное решето; 5 —
вода
К гравитационным методам относятся отсадка и обогащение в
тяжелых средах. Принцип отсадки состоит в следующем. Если
слой неоднородного материала встряхивать, то постепенно про-
изойдет его расслоение — тяжелые зерна окажутся внизу, легкие—
вверху (рис. 5.18). Это неизбежно, поскольку с расслоением центр
тяжести системы перемещается вниз, т. е. ола теряет потенциаль-
ную энергию. Действительно, если, например, смесь состоит из
равного числа тяжелых и легких зерен одинаковой крупности
(рис. 5.18, а), то после достаточно энергичного и многократного
встряхивания линия расслоения окажется посередине высоты
(рис. 5.18, б)—на уровне первоначального положения центра
тяжести. Новое же положение центра тяжести тем ниже, чем
больше различие в плотности зерен нижнего и верхнего слоев.
В промышленных установках отсадка производится главным
образом в водной среде. Отсадочные машины бывают с неподвиж-
ным или подвижным решетом.
Схема отсадочной машины с неподвижным решетом показана
на рис. 5.19. Движением поршня или диафрагмы создается пуль-
сация воды. Слой обогащаемого материала многократно разрых-
ляется восходящей струей воды и снова оседает. После расслоения
материал перемещается с разделением слоев.
Аналогичным образом происходит обогащение в отсадочных
машинах с подвижным решетом (рис. 5.20), только в этом случае
относительное движение воды и обогащаемого материала созда-
ется пульсацией решета с помощью кривошипно-шатунного меха-
низма.
Разделение в тяжелых средах еще проще и надежнее. Оно за-
ключается в следующем. Если неоднородный по плотности зерен
материал поместить в жидкость, плотность которой больше плот-
ности легких зереп обогащаемого материала и меньше плотности
117
Рис. 5 20. Отсадочная машина с подвижным решетом:
1— загрузочный лоток; 2—решето; 3 — отмучиваемые примеси (шлам);
4 — тяжелая фракция; 5 — легкая фракция; 6 — привод
его тяжелых зерен, то легкие (и, как правило, относительно сла-
бые) зерна всплывут, а тяжелые (прочные) потонут.
Для получения разделительных сред обычно готовят суспензии
из воды с порошками магнетита (р=4,9... 5,2 г/см3), ферросили-
ция (р=6,3 г/см3) или других тяжелых материалов. Материалы-
утяжелители должны быть тонко размолоты, чтобы суспензия была
стабильной, нерасслаиваемой.
Для обогащения в тяжелых средах используют сепараторы,
один из которых показан на рис. 5.21. Загружаемый в сепаратор
гравий при вращении барабана перемещается встроенной в него
спиралью. Потонувшие в суспензии зерна выдаются элеватором
Рис. 5.21. Сепаратор для разделения заполнителей в тяже-
лых средах:
1 — подача суспензии; 2 — потонувшая фракция; 3 — барабан; 4 —
всплывшая фракция
118
через лоток. Суспензия непрерывно поступает в барабан и слива-
ется вместе с всплывшими зернами.
Важным этапом такой технологии является регенерация тяже-
лой суспензии. Если утяжелитель обладает магнитными свойства-
ми (магнетит, ферросилиций), то его извлекают из сливающейся
суспензии, а также и из воды после промывки продуктов обога-
щения, с помощью магнитной сепарации, затем разводят водой
до требуемой плотности и используют снова.
Для того чтобы выбрать разделительную среду необходимой
плотности и оценить целесообразность разделения гравия по
плотности зерен, проводят лабораторные исследования предста-
вительных проб гравия. В качестве разделительных сред в этом
случае удобно использовать смеси тетрабромэтана с бензином.
Тетрабромэтан (С2Н2Вг<)— тяжелая органическая жидкость плот-
ностью 2,963 г/см3. При разведении тетрабромэтана бензином
можно получить смеси различной плотности для разделения гра-
вия на классы путем отбора всплывающих и тонущих зерен.
5.4. ЩЕБЕНЬ
• Щебень получают дроблением каменных пород. Это наиболее
качественный крупный заполнитель для высокопрочных бетонов.
Он, как правило, дороже гравия, но тем не менее объем произ-
водства щебня в СССР превышает объем добычи гравия в не-
сколько раз. Это объясняется отсутствием" гравия во многих
районах страны и использованием его для высокопрочных бето-
нов.
Сырьем для получения щебня служат в основном изверженные
породы типа гранита, габбро, диабаза, базальта и карбонатные
осадочные породы — известняки и доломиты. Меньшее промыш-
ленное значение имеют песчаники и метаморфические горные по-
роды.
Нижеперечисленные требования относятся к щебню, получаемо-
му дроблением пород с плотностью свыше 1800 кг/м3.
• 5.4.1. Технические требования. Технические требования к щеб-
ню, предъявляемые в стандартах в отношении его фракциониро-
вания и зернового состава поставляемых фракций или их смесей,
аналогичны требованиям к гравию, изложенным выше.
По форме зерен щебень подразделяется на три группы: обыч-
ный, в котором допускается содержание зерен пластинчатой (ле-
Щадной) и игловатой форм до 35% (по массе); улучшенный —
не более 25%; кубовидный —не более 15%. Для некоторых видов
специального бетона, например бетона для напорных труб, дол-
жен применяться только кубовидный щебень (ГОСТ 10268—80).
Прочность щебня характеризуется маркой, соответствующей
пределу прочности исходной горной породы в насыщенном водой
состоянии и определяемой косвенно по показателю дробимости
119
щебня при сжатии (раздавливании) в цилиндре. Взаимосвязь
показателей прочности породы и дробимости щебня исследована
во ВНИИЖелезобетона (М. Л. Нисневичем) и отражена в дейст-
вующих стандартах.
По ГОСТ 10268—80 предел прочности горной породы, исполь-
зуемой для производства щебня, должен быть выше заданного
предела прочности бетона: не менее чем в 1,5 раза — для бетона
с пределом прочности ниже 30 МПа; не менее чем в 2 раза — для
бетона с пределом прочности 30 МПа и выше.
Щебень из изверженных горных пород, применяемый в качест-
ве заполнителя для тяжелого бетона, должен иметь марку, соот-
ветствующую пределу прочности породы не ниже 80 МПа, из
метаморфических пород — не ниже 60 МПа, из осадочных — не ни-
же 30 МПа.
Для гидротехнического бетона зоны переменного уровня воды
должен применяться щебень из пород, предел прочности которых
превышает предел прочности бетона не менее чем в 3 раза (для
изверженных и метаморфических пород) или в 2,5 (для осадоч-
ных). Как следует из гл. 4, эти требования обеспечивают необхо-
димую и достаточную для бетона прочность заполнителей с боль-
шим запасом.
Содержание зерен слабых пород в щебне допускается не более
10% (по массе), а для бетона ряда ответственных конструкций —
не более 5%. Массовая доля отмучиваемых примесей в щебне из
изверженных и метаморфических пород не должна превышать
1%, а в щебне из осадочных пород в ряде случаев (в зависимо-
сти от марки бетона и вида конструкций) — 2(3) %.
• 5.4.2. Производство. Производство щебня включает следующие
технологические процессы: добычу камня, дробление и сортировку
(грохочение).
Добыча камня осуществляется в основном в карьерах. Разра-
ботке месторождений каменных пород предшествуют вскрышные
работы, состоящие в удалении растительного слоя и песчано-
глинистых пород средствами, описанными выше. В состав вскрыш-
ных работ может входить и удаление непригодного камня верхней
зоны (зоны выветривания). Эти работы выполняют буровзрывным
способом с вывозкой камня в отвал.
После обнажения каменного массива и подготовки уступа
(рис. 5.2) специальными буровыми машинами и станками в мас-
сиве бурят скважины диаметром до 250 мм на глубину 10 ...
20 м в один ряд вдоль уступа или в два-три ряда в шахматном
порядке через 4 ... 7 м, закладывают в них взрывчатые вещества
(аммониты, тротил и др.) и производят одновременно массовый
взрыв (предварительно удалив из опасной зоны людей и технику).
В результате взрыва уступ заполняется рваным камнем разной
крупности и глыбами. Крупные глыбы (негабарит) взрывают вто-
рично накладными или шпуровыми зарядами, после чего рваную
120
Рис. 5 22. Разработка скальных пород буровзрывным
способом:
1 — подошва уступа; 2 — откос; 3 — контур развала породы
после взрыва, 4— скважины
породу разрабатывают мощными экскаваторами с ковшом вмести-
мостью 2 ... 4 м3.
Наибольший допускаемый размер камня для экскавации зави-
сит от вместимости ковша экскаватора Е:
Например, при вместимости ковша экскаватора 4 м3 размеры
камня в карьере могут достигать 1,27 м.
Камень грузят экскаваторами в транспортные средства (пре-
имущественно автосамосвалы большой грузоподъемности), достав-
ляющие его на дробильно-сортировочный завод.
В некоторых случаях первичное дробление камня целесообраз-
но осуществлять непосредственно в карьере и доставлять на дро-
бильно-сортировочный завод уже не крупный камень, а частично
дробленый.
Основное оборудование дробильно-сортировочного завода —
дробилки и грохоты, а также ленточные конвейеры, питатели,
транспортеры, объединяющие все агрегаты в технологические
линии.
Применяют в основном вибрационные и гирационные грохоты.
Для крупного камня используют также неподвижные колоснико-
вые грохоты.
Дробилки по конструкции и принципу дробления подразделяют-
ся на щековые, конусные, валковые, молотковые и др. Наиболее
широкое применение для крупного и среднего дробления камня
нашли щековые дробилки (рис. 5.23, а). Камень, поступающий в
зазор между неподвижной и подвижной щеками, дробится при
периодическом сужении зазора.
В конусных дробилках (рис. 5.23, б) камень поступает в коль-
цевой зазор между внутренним и внешним конусами, причем
внутренний дробящий конус, установленный на эксцентриковой
Пяте, совершает круговое качание, в результате чего ширина зазо-
ра непрерывно меняется.
121
Рис. 5.23. Схемы дробилок
Реже, для дробления сравнительно непрочного камня, исполь-
зуют валковые дробилки, состоящие из двух гладких или рифле-
ных цилиндров (валков), вращающихся навстречу друг другу
(рис. 5.23, в).
Молотковые дробилки ударного действия (рис. 5.23, г) находят
применение при окончательном дроблении.
Как показали исследования, при их использовании выход щеб-
ня кубовидной формы значительно больше, чем в дробилках дру-
гих типов, а зерен пластинчатой и игловатой формы — меньше.
Размер камня, поступающего в щековую дробилку, должен
быть не более а— 0,856, где b — ширина зева (загрузочного отвер-
стия) дробилки. Самые крупные щековые дробилки имеют загру-
зочное отверстие 1500X2100 мм, т. е. в соответствии с приведен-
ной формулой могут принять камень, разрабатываемый экскава-
тором с вместимостью ковша 4 м3.
Производительность дробилок указывают в их технологических
характеристиках (паспортах). Она соответствует определенному
типу горной породы и принятым условиям дробления. Поэтому
для конкретных условий производства ее необходимо пересчиты-
вать, вводя поправочные коэффициенты.
122
Расчетная производительность щековых и конусных дробилок
(т/ч)
Q—фпрнАдр£ф/гКр/гвл,
где Qn — паспортная производительность дробилки, м3/ч; рн —
насыпная плотность дробимого материала, т/м3; £др— поправоч-
ный коэффициент на дробимость материала; при отсутствии
данных при дроблении пород с прочностью при сжатии более
250 МПа принимают/гДР=0,8; 200 ... 250 МПа — £др=0,85; 180 ...
200 МПа — Адр=0,9; 150 ... 180 МПа — АДр=0,95; 60 ...
150МПа — йдР=1, менее 60 МПа — £ДР=1,2; k$ — коэффициент
формы, при переработке скальных пород принимают йф=1 и
гравийно-валунного материала &ф=0,85; kKP — поправочный коэф-
фициент на крупность материала в зависимости от процентного
содержания в питании фракций крупнее половины ширины загру-
зочного отверстия дробилки ^кр=0,9 ... 1,1; kBn — поправочный ко-
эффициент на влажность материала, содержащего комкующуюся
мелочь, при наличии комкующейся мелочи и влажности в преде-
лах 5... 11% принимают £вл= 1,0 ... 0,65.
Расчетная производительность роторных дробилок (т/ч)
Q СпРн^пр^'кр^'щ^ск^изш
где Апр, kKP, Ащ, &ск, ^изи — поправочные коэффициенты, зависящие
соответественно от: прочности и средней плотности дробимого мате-
риала, крупности дробимой породы, ширины выпускной щели, ок-
ружной скорости ротора, степени изношенности рабочих кромок
бил. Эти коэффициенты вычисляют по формулам, приведенным в
приложении к нормам технологического проектирования или в
специальной литературе.
В схеме простейшего дробильно-сортировочного комплекса,
представленной на рис. 5.24, предусмотрена одна стадия дробления.
Однако, как правило, на заводах дробление производят в две, три
стадии и более.
Число стадий дробления зависит от заданной степени измель-
чения камня 1—а\/а2 (щ — наибольшая крупность поступающего
камня; а2 — наибольшая крупность заказанного продукта дробле-
ния). Если, например, поступает каменный материал с наиболь-
шей крупностью кусков 1200 мм, а наибольшая крупность щебня
Должна быть 20 мм, то i=60.
Хотя выходная щель дробилок может регулироваться, нецеле-
сообразно назначать в каждой из них слишком высокую степень
измельчения из-за ускоренного износа и уменьшения производи-
тельности дробилок. Для щековых и конусных дробилок обычная
степень измельчения 3 ... 5.
Общая степень измельчения
123
Рис. 5.24. Простейший дробильно-сортировочный завод:
/ — приемный бункер; 2 — питатель; 3 — дробилка; 4 — ленточные транспортеры; 5 — грохот;
6, 7, 8 — бункера для мелкого, среднего и крупного продуктов дробления
где ii, 1’2, —, in — степень измельчения на каждой из п стадий
дробления.
В вышеприведенном примере, чтобы обеспечить г = 60 при сте-
пени измельчения в каждой дробилке равной 4, проводят дробле-
ние в три стадии: 1=4-4-4=64.
Для регулирования крупности, а следовательно, и количества
материала, направляемого на дробление, применяют грохочение.
В зависимости от технологического назначения осуществляют сле-
дующие виды грохочения: предварительное, поверочное (контроль-
ное), окончательное (товарное).
Предварительное грохочение используют для отделения мелких
классов из материала, поступающего на дробление (рис. 5.25).
Благодаря этому улучшаются условия работы дробилок и повы-
шается их производительность.
Поверочное (контрольное) грохочение служит для выделения
отдельных классов из продуктов дробления, направляемых на до-
работку— повторное дробление по замкнутому циклу. Замкнутый
цикл целесообразен на последней стадии дробления (рис. 5.26).
Помимо увеличения выхода нужных фракций при замкнутом цик-
ле дробления улучшается форма зерен щебня.
Окончательное (товарное) грохочение имеет целью получение
товарных фракций щебня для отправки потребителю (см. рис.
5.26).
• 5.4.3. Обогащение. Почти все месторождения характеризуются в
той или иной степени неоднородностью камня по прочности. Даже
сравнительно однородные высокопрочные гранитные породы со-
124
дней: дробления:
1 —• грохот; 2 — транспортер в обход
дробнлкн; 3 — дробилка: «+» и
«—» —соответственно надрешетный
и подрешетный (мелкие классы)
продукты
1 — поверочное грохочение; 2 —
окончательное (товарное) грохо-
чение
держат слабые включения. Наиболее неоднородны известняки, за-
легающие слоями различной плотности.
Для улучшения качества щебня на основе детальной геологи-
ческой разведки месторождения можно производить так называе-
мую селективную разработку карьера, добывая только наиболее
прочный камень. Но при этом значительно усложняются работы и
повышается стоимость щебня.
При современном крупном производстве более целесообразна
массовая разработка месторождений с последующим разделением
продукции на отдельные классы по прочности и назначению.
Для обогащения щебня используют те же методы, которые при-
меняются для гравия и описаны выше.
Особое значение для щебня имеет обогащение по принципу
избирательного дробления. Этот метод основан на следующем
явлении. Степень измельчения дробимого камня зависит не только
от вида дробилки, ее настройки и режима работы, но и от проч-
ности камня. Если через дробилку, работающую в постоянном ре-
жиме, пропускать камень разной прочности, то чем меньше проч-
ность, тем мельче будет продукт дробления. Поэтому если после
Дробления отсеять из продукта мелкую фракцию, то оставшийся
чадрешетпый продукт окажется более однородным и прочным.
Здесь выявляется еще одно важное достоинство промежуточного
грохочения: оно позволяет, отделяя непрочную фракцию, обога-
щать конечную продукцию (рис. 5.27).
125
Рис. 5.27. Обогаще-
ние щебня по принци-
пу избирательного
дробления:
Эффективность избирательного дробления
особенно высока при использовании дробилок
ударного действия, в которых камень на лету
дробится ударом. Иногда с этой целью при-
меняют специальные молотковые, роторные
дробилки, дезинтеграторы и др.
Помимо обогащения по прочности возмож-
но обогащение получаемого щебня по форме
зерен. Для отделения зерен пластинчатой и
игловатой форм применяют щелевые и специ-
альные колосниковые грохоты (рис. 5.28), да-
ющие определенный эффект при небольших
затратах. Была предложена и внедрена так-
же «грануляция» щебня дополнительной обра-
боткой в молотковой дробилке или в дробил-
ках других типов, работающих «в режиме гра-
нуляции»—-при соответствующей настройке и
неполной загрузке. За счет разламывания
преимущественно зерен пластинчатой и игло-
щебень при «грануляции» приближается к кубовидно-
это связано со значительными затратами, которые не
1 — выход продукции
меныней прочности; 2 —
то же, большей
стн
прочно-
ватой форм
му. Однако
всегда окупаются.
Относительно эффективности применения щебня с той или иной
формой зерен существуют различные мнения. Некоторые исследо-
ватели (С. С. Гордон) полагают, что пластинчатая (лещадная)
форма зерен щебня лучше кубовидной, поскольку позволяет по-
лучать бетон более высокой прочности. С учетом изложенного в
гл. 4 это можно объяснить эффектом «армирования» бетона за-
полнителем. Но, с другой "стороны, удобоукладываемость бетонных
смесей на щебне с кубовидной формой зерен, несомненно, лучше,
что особенно важно при бетонировании тонкостенных густоарми-
рованных конструкций, например при производстве железобетон-
ных напорных труб. В подобных случаях обогащение щебня по
форме зерен оправдывает затраты.
Промывка щебня производится, когда содержание пыли в нем
превышает пределы, допускаемые стандартами. Осуществляется
она, как правило, в процессе мокрого грохочения разбрызгиванием
воды над грохотами.
Перспективным методом обогащения является сухое обеспыли-
вание щебня потоком воздуха,
которое также можно совме- А
стить с процессом грохочения.
• 5.4.4. Щебень из гравия.
В некоторых районах для про-
изводства щебня используют
скопления валунов и булыж-
ного камня, представляющих
Рис. 5.28. Грохот для отделения зерен
пластинчатой н игловатой форм
126
собой перенесенные ледниками и водами крупные обломки высоко-
прочных горных пород.
В весьма больших объемах (около 20% общего выпуска) ще-
бень производится дроблением крупных фракций гравия. Этим
достигается комплексное использование песчано-гравийных место-
рождений с дополнительным выходом высококачественного дроб-
леного заполнителя.
В щебне из гравия дробленых зерен должно быть не менее
80% (по массе). Дроблеными считают зерна, площадь околотой
поверхности которых больше половины всей площади поверхности
зерна.
Показатели дробимости при испытании в стальном цилиндре
для щебня из гравия из-за формы его зерен выше, чем для гравия.
Поэтому стандарт относит к марке Др8 щебень из гравия с по-
казателем дробимости до 10%, к марке Др 12 — до 14%, к марке
ДР 16 — до 18% и к марке Др24 — до 26%- Остальные требования
к такому щебню аналогичны требованиям к обычному щебню и
гравию.
5.5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЩЕБНЯ,
ГРАВИЯ И ПЕСКА
• 5.5.1. Общие принципы и положения. Предприятия нерудных
строительных материалов, производящие заполнители для бетона,
представляют производственный комплекс, включающий добычу
сырья в карьере и его переработку на заводе.
Сырье, как указывалось ранее, добывают, применяя экскава-
торный способ разработки месторождений или средства гидроме-
ханизации. К последним, например, относят плавучие землесос-
ные снаряды, используемые при разработке подводных и обвод-
ненных песчано-гравийных месторождений.
Технологические схемы заводов по производству заполнителей
для бетона определяются поступающей на переработку исходной
горной массой, номенклатурой и качеством готовой продукции,
типом применяемого оборудования с учетом комплексности ис-
пользования сырья, экономии сырьевых, материальных и топлив-
но-энергетических ресурсов.
Основными классификационными характеристиками добытой
для переработки горной массы являются прочность, однородность,
абразивность, размер кусков и частиц материала (гранулометрия
исходной массы), количество и вид содержащихся в них загряз-
няющих включений, которые могут быть легко-, средне- и трудно-
промывистыми, например пыль, глина и др.
Общесоюзные нормы технологического проектирования пред-
приятий нерудных строительных материалов ОНТП-18—85 под-
разделяют перерабатываемые горные породы на четыре типа, вы-
деляя в первом и четвертом типах две подгруппы:
127
• I — прочные однородные абразивные горные породы, включаю-
щие 1-1—изверженные горные породы (граниты, диориты, сиени-
ты, базальты и др.) с пределом прочности на сжатие до 300 МПа,
чистые или незначительно загрязненные легкопромывистыми вклю-
чениями; 1-2—метаморфические и абразивные осадочные горные
породы (песчаники) с прочностью на сжатие до 300 МПа и боль-
шим содержанием мелкой фракции 0 ... 150 (200) мм в исходной
горной массе, загрязненные легко и средпепромывистыми вклю-
чениями;
• II — прочные однородные малоабразивные осадочные горные
породы (известняки, доломиты и др.) с пределом прочности на
сжатие до 200 МПа, незначительно загрязненные легко- и средне-
промывистыми включениями;
• III — неоднородные по прочности малоабразивные горные поро-
ды, содержащие слабые разности, загрязненные средне- и трудно-
промывистыми включениями;
• IV — сырье для производства песка, гравия и щебня из гравия
для строительных работ; IV-I — валуно-гравийно-песчаная и гра-
вийно-песчаная горные породы с содержанием гравия и валунов
прочностью на сжатие до 150 МПа —50% и менее, загрязненные
средне- и труднопромывистыми включениями — до 10... 12%;
IV-2 — валуно-гравийно-песчаная и гравийно-песчаная горные по-
роды с содержанием гравия и валунов прочностью на сжатие до
300 МП — 50% и более, загрязненные легкопромывистыми вклю-
чениями— до 5%.
По характеру производства, использующего определенные типы
горных пород, и основным видам выпускаемых заполнителей раз-
личают заводы:
• щебеночные с экскаваторным способом разработки месторож-
дений горных пород типа I ... III;
• гравийно-щебеночные и гравийно-песчаные как с экскаватор-
ным, так и с гидромеханизированным способом добычи горных
пород типа IV-2 и IV-1;
• песчаные, в основном с гидромеханизированным способом добы-
чи горной массы, содержащей не более 5% гравия.
Заводы с экскаваторным способом добычи сырья имеют мощ-
ность 0,6 ... 2,8 млн. м3 в год, гидромеханизированные — 0,6 ...
1,2 млн. м3 в год и более при сезонном и круглогодовом режимах
работы.
При разработке месторождений с небольшими и средними за-
пасами сырья для производства щебня целесообразно применение
сборно-разборных автоматизированных дробильных линий типа
САДЛ или передвижных дробильно-сортировочных установок типа
ПДСУ-85 производительностью до 400 ... 500 тыс. м3 в год.
Проектирование технологии производства заполнителей осно-
вывается на результатах технологических испытаний сырья, опре-
деляющих схему технологического процесса: число стадий дроб-
128
ления и виды грохочения, типы дробилок и грохотов, способы и
оборудование для промывки и очистки материала, его обезвожива-
ния, необходимость операций обогащения по прочности, зерновому
составу или форме зерен, а также мероприятия по утилизации
отходов производства.
Уровень механизации и автоматизации производства на совре-
менных заводах должен составлять соответственно не менее 95
и 75%.
• 5.5.2. Щебеночные заводы. Их основная продукция — фракци-
онированный щебень крупностью до 40(70) мм с содержанием
мелких фракций (до 20 мм) не менее 50% от всей массы щебня
и, кроме того, обогащенный песок из отсевов дробления.
Технологические схемы щебеночных заводов различаются по
назначению в зависимости от трех типов горных пород, приведен-
ных в п. 5.5.1, а также по принципу их построения, стадийности
дробления, поточности, структуре, видам основной и побочной
продукции и др.
Принцип построения схем касается применения операций гро-
хочения при дроблении различных скальных пород, т. е. опреде-
ляет объемы дробимого материала и его крупность, что суще-
ственно при определении оптимальных параметров технологических
взаимосвязей процессов добычи и переработки сырья и требует в
каждом конкретном случае проведения технико-экономического
анализа.
Технологические схемы, построенные по принципу «не дробить
ничего лишнего», предусматривают наименьшее отношение объема
материала, пропускаемого через все дробилки (без учета циркуля-
ционной нагрузки), к объему исходной горной массы, поступаю-
щей на переработку. Это достигается предварительным грохочени-
ем перед дроблением для отделения мелких фракций, затрудняю-
щих работу дробилок.
Технологическая схема с использованием принципа «не транс-
портировать отдельно ничего лишнего» характеризуется наиболь-
шим указанным отношением, равным 1, и предусматривает поступ-
ление материала на дробление из одной дробилки в другую без
применения грохочения. Это возможно при использовании доста-
точно чистых изверженных и метаморфических пород, содержащих
в небольшом количестве (до 20%) зерна, размер которых меньше
ширины разгрузочной щели дробилки. Такие зерна проходят через
Дробилку не измельчаясь и лишь незначительно снижают ее про-
изводительность.
Уменьшение, согласно этой схеме, оборудования сортировки и
внутрицехового транспорта (ленточных конвейеров для раздельно-
го транспортирования мелочи) позволяет снизить капитальные и
эксплуатационные затраты, повысить надежность производства.
I Оба принципа могут быть использованы в технологических
схемах на разных стадиях дробления. Например, они используют-
16—462 129
Исходная горная /масса
О... ТОРИ мм
в... ТОмм
2Смм
4О мм
РТр4ОММ
с/# ГР мм
Первичное дробление
щдл тг*мг н ддОмм
О=27Омм
Нторичное дровл/ние
нсд-ггоегр, е-Ямм 1
О... РРмм
Р/-ТОмм
Грохочение аг=рмм
Третичное
Продление
/смд-ггоот, е=
О... 4ОмМ
--- ДГ
ТОмм
а промо/дяа
О...рмм I
Щедено
S.../ТТмм 7О...2Рмм 20... 40мм
Илассар/инас/ия
и рдехвоживание
О... 0,0/мм \ 0,70. О мм
вдехвоживиние
/Теслк дродлелмй одогащеннь/й
Отходе/Р...О,7Рмм up отсевов 77, 76...5мм
Рис. 5.29. Технологическая схема типового щебеночного завода по переработке
однородных изверженных и метаморфических пород мощностью 1 млн. м3 в год:
1... VII — номера технологических операций; d — размеры отверстий снт грохотов; е — раз-
мер разгрузочных отверстий; от 0 — 1000 до 0 ... 0,16 — крупность продуктов; ШДП-12Х15 —-
щековая дробилка; КСД-2200Гр, КМД-2200Т — конусные дробилки среднего и мелкого дроб-
ления (индексы Гр и Т —исполнение соответственно для грубого и тонкого дробления);
треугольники — промежуточные бункера
ся в технологической схеме типового щебеночного завода мощ-
ностью 1 млн. м3 щебня в год из однородных изверженных и ме-
таморфических пород (типа 1-1), представленной на рис. 5.29.
Схема предусматривает:
• трехстадийное дробление с замкнутым циклом па последней
стадии (I, II, IV);
130
• предварительное и поверочное грохочение перед третьей стади-
ей дробления, работающие в замкнутом цикле (III);
• грохочение, промывку и обезвоживание щебня мелких фракций
от 5 до 10 и свыше 10 ц> 20 мм (V);
• промывку и классификацию песка из отсевов дробления (VI);
• обезвоживание nei ка (VII);
• складирование кноиой продукции.
Из схемы видно, что продукты дробления имеют размеры, пре-
вышающие размеры разгрузочных отверстий дробилок. Но опера-
ции грохочения перед третьей стадией дробления и работа дро-
билки в замкнутом цикле обеспечивают возможность регулирова-
ния крупности п выхода готовой продукции.
Схема цепи аппаратов завода, запроектированного Союзгипро-
нерудом, приведена на рис. 5.30.
Исходная горная масса (0 ... 1000 мм) из карьера автосамо-
свалами подается в приемный бункер вместимостью 70 м3. Из
бункера она перемещается пластинчатым питателем в щековую
дробилку ЩДП-12Х15 на первичное дробление. Полученный про-
дукт крупностью 0 ... 270 мм направляется ленточным конвейером
в конусную дробилку КСД-2200Гр па вторичное дробление, после
которого материал, измельченный до 0...90 мм, транспортирует-
ся ленточным конвейером из корпуса дробления в промежуточный
бункер корпуса промывки, грохочения и классификации.
Отсутствие или наличие промежуточных емкостей при переме-
щении промежуточных продуктов между стадиями дробления ха-
рактеризует поточность схемы: при отсутствии — схема называется
непрерывной (поточной), при наличии их между всеми стадиями
дробления — прерывистой (цикличной). Рассматриваемая схема
является комбинированной (поточно-цикличной). Предусмотрен-
ные в ней бункера перед операциями предварительного и повероч-
ного грохочения и перед третьей стадией дробления, обеспечиваю-
щие запас материала, необходимый для работы в течение получа-
са, позволяют равномерно загружать оборудование и осуществлять
независимую работу технологических линий.
Грохочение материала, подаваемого из промежуточного бунке-
ра электровибрационными питателями, производят на трех инерци-
онных грохотах ГИС-62 с двумя ситами, имеющими размеры от-
верстий 40 мм (верхнее) и 20 мм (нижнее). Материал разделяет-
ся на три класса: +40 мм, 20... 40 мм и 0...20 мм (знак
«+» означает, что все зерна крупнее указанных размеров отвер-
стий сит).
Надрешетный продукт верхнего сита (верхний класс +40)
ленточными конвейерами через промежуточный бункер возвраща-
ется в корпус дробления в конусную дробилку КМД-2200Т для
третичного дробления. Ее продукт крупностью 0 ... 40 мм объеди-
няется с продуктом дробилки КСД-2’200Гр (0 ... 90 мм). Таким
образом осуществляется замкнутый цикл.
5* 131
Сухим грохочением на втором сите ГИС-62 выделяется товар-
ная фракция щебня 20 ... 40 мм, подаваемая ленточным конвейе-
ром на склад готовой продукции. Подрешетпый продукт 0 ...
20 мм поступает на каскад из двух грохотов ГИС-62 (3 пары),
имеющих сита с отверстиями 10 и 5 мм, для разделения щебня па
фракции 10 ... 20 мм и 5 ... 10 мм, их промывки и обезвоживания
(грохочением на втором грохоте), а также выделения песчапой
фракции 0 ... 5 мм.
Промытые мелкие фракции щебня направляются ленточными
конвейерами на склад готовой продукции, а песок из отсевов
дробления поступает сначала в односпиральные классификаторы
1500X8200 (3 шт.), где происходит его промывка с одновремен-
ным обогащением за счет удаления частиц размером менее
0,16 мм, затем в виброобезвоживатели, из-под которых ленточным
конвейером подается на склад.
Рис. 5 30 Схема цепи аппаратов типового щебеночного завода по
морфическнх пород мощностью
/ — корпус дробления; II — корпус промывки, грохочения н классификации; ///— уз-
с отбором проб; V/ — склад щебия; 1 — приемный бункер с пластинчатым питателем
3— конусная дробилка КСД-2200Гр; 4 — конусная дробилка КМД 2200Т; 5 —барабан»
бункер; 7— электровнбрационныЙ питатель ПЭВ-8Х15 (4 шт.); 8 — инерционный гро-
1500 X 8200 (3 шт.); 10— виброобезвоживатель ПЭВ-4Х12 (3 шт.); 11 — зумпф; 12 —
с электродвигателем (28 шт.)
132
После промывки пульпа, содержащая частицы менее 0,16 мм,
поступает из спиральных классификаторов и виброобезвоживате-
лей в зумпф (канаву), откуда ее грунтовым насосом перекачивают
в гидроотвал (хвостохранилище).
Технология предусматривает также вариант переработки мате-
риала «сухим» способом, т. е. без промывки щебня мелких фрак-
ций и обогащения песка, что менее желательно для качества за-
полнителей, но может быть продиктовано реальными условиями,
например климатическими, дефицитом водных ресурсов и др.
В этом случае песок из отсевов дробления после грохочения
направляется на склад готовой продукции (см. пунктирные линии
на рис. 5.30), а операции VI и VII из технологической схемы ис-
ключаются.
На рис. 5.31 приведены принципиальные технологические схемы
щебеночных заводов для переработки различных типов пород,
переработке однородных изверженных и мета-
1 млн м3 в год:
ЛЫ нагрузки; /V—склад песка; V — перегрузочный узел
1-18-110. 2 —щековая дробилка ЩПЛ-12X15 (СМД-118);
ная сбрасывающая тележка (5 шт.); 6 — промежуточный
Хот ГИС-62 (9 шт ); 9 — одиоспиральный классификатор
лотковый затвор (2 шт.); 13— лотковый затвор 700X 700
133
ZZ...ZZfaM
WAf
ZU 4Umm\ 4Umm
I Q—
ZZ/frff>M> I_
'/лм
fl .Smm
flAfle/zt ,
fl... fl,76AfAf^
fl/fi .Умм
JT
V
VT
Iff
ffl
fl
ZZ..jAfAf
lfl’1.7I './fir /HlpK
ZZ/77J.tiZfof MU
S...ZflMM \?fl 4fl"M
1
Рнс. 5 31. Принципиальные технологические схемы щебеночных заводов для пе-
реработки пород:
а — прочных, однородных, малоабразнвных; б — неоднородных по прочности, малоабразив-
ных; операции: 1, 111, V — соответственно первая, вторая и третья стадии дробления; 11 —
предварительное грохочение; IV — предварительное н поверочное грохочение; VI — промыв-
ка н грохочение щебня; VII — обезвоживание щебня; V111 — промывка и обезвоживание
песка
применяемые на действующих предприятиях или при проекти-
ровании.
Технологическая схема, представленная па рис. 5.31, а, может
быть применена для переработки пород типа 1-2 и пород II типа.
При трехстадийном дроблении (I, III, V) с замкнутым циклом на
последней стадии различие заключается в типах используемых
дробилок.
На первой стадии в обоих случаях возможно применение щеко-
вой дробилки, на второй и третьей стадиях дробление метаморфи-
ческих пород и песчаников (тип 1-2) производят в конусных дро-
билках среднего и мелкого дробления, а однородных известняков
и доломитов (тип II) — в роторных дробилках (ударного дейст-
вия) .
Последние обеспечивают выпуск щебня кубовидной формы и
могут применяться на всех трех стадиях дробления, по тогда уве-
личивается выход отсевов крупностью 0... 5 мм.
Содержание в исходной горной массе и продуктах дробления
большого количества мелочи вызывает необходимость предвари-
тельного грохочения (II) перед каждой стадией дробления.
131
Загрязняющую карьерную мелочь (0 ... 10 мм в сухой период,
0 ... 20 мм во влажный) удаляют из технологического процесса
предварительным грохочением перед первичным дроблением.
Крупность материала, отбираемого на предварительном грохо-
чении, рекомендуемся принимать: для первой стадии дробления —
близкой к ширине загрузочного отверстия дробилок, для второй
и третьей стадии—равной наибольшей крупности получаемых
продуктов.
Операции (IV ... VIII) после стадии II дробления аналогичны
рассмотренным в технологической схеме для переработки пород
типа 1-1.
Наибольшие трудности вызывает переработка неоднородных по
прочности (главным образом карбонатных) пород типа III из-за
значительного колебания содержания слабых разностей (с преде-
лом прочности па сжатие менее 20 МПа) и загрязняющих глини-
стых включений.
Технология переработки таких пород должна в каждом кон-
кретном случае учитывать особенности сырья, гибко варьировать
различными технологическими операциями и поэтому не ограничи-
вается рамками единой типовой схемы. Общим и характерным
является то, что для получения кондиционного щебня необходимо
применять методы обогащения по прочности.
Наиболее часто в технологические схемы включают обогаще-
ние методом избирательного дробления (см. п. 5.4.3) с использо-
ванием роторных дробилок и удалением из процесса слабых раз-
ностей многократным грохочением. При переработке пород, содер-
жащих до 20% слабых разностей, выход щебня составляет около
половины от исходной горной массы. Получаемые в большом ко-
личестве отходы в виде отсевов подлежат утилизации в качестве
сырья для цементной, металлургической промышленности, для
производства известняковой муки, минеральных наполнителей,
например для асфальтобетона, флюсов и др. Таким образом до-
стигается комплексное использование сырья.
При содержании в исходной горной массе более 20% слабых
разностей щебень требуемой марки может быть получен только
за счет включения в технологическую схему специальной опера-
ции обогащения по прочности методом отсадки, механической
классификации или разделения в тяжелых средах (суспензиях),
осуществляемых в отдельном потоке.
Если представляется возможным выборочно добывать прочные
и слабые породы, их переработку на заводе производят на от-
дельных технологических линиях.
Система соединений технологических линий и наличие потоков
для выделения пород разной прочности характеризуют структуру
технологической схемы. Согласно классификации, приведенной
И. Б. Шлаиным, различают одно-, двух- и трехпоточные схемы.
Применяются также комбинированные схемы, когда в различных
135
их элементах материал перерабатывают в одном или нескольких
потоках, как, например, в рассматриваемой выше схеме (рис.
5.31, б).
По такой схеме сухим способом перерабатывают горную мас-
су крупностью до 1000 мм для выпуска известнякового щебня
М 300 и 500 и использования отсевов дробления для производства
известняковой муки.
Технологическая схема включает следующие операции:
предварительное грохочение (II), удаляющее мелочь и выделя-
ющее два класса по крупности материала;
раздельное первичное дробление (I) в соответствующих типах
роторных дробилок;
предварительное и поверочное грохочение (IV) перед второй
стадией дробления, которое выделяет товарную фракцию 40 ...
70 мм щебня М 500 и переводит в подрешетный продукт щебень
М 300;
повторное грохочение подрешетного продукта (0 ... 40 мм) для
получения товарных фракций щебня 10 ... 20 и 20 ... 40 мм;
вторую (III) и третью (V — с замкнутым циклом) стадии
дробления щебня М 500;
Грохочение (VI) и перечистку (VII) товарных фракций в смеси
5...20 и 20...40 мм щебня М 500.
При содержании в исходном сырье глины в схему вводят опера-
ции по ее отбору и (или) предусматривают мокрый способ пере-
работки с использованием оборудования для промывки и обезво-
живания, позволяющего получить заполнитель требуемой чис-
тоты.
Кроме заводов для производства щебня используют сборно-
разборные автоматизированные дробильные линии САДЛ-И-400 и
передвижные дробильно-сортировочные установки ПДСУ-85.
САДЛ-И-400 (рис. 5.32) состоит из десяти самостоятельных
агрегатов и управляется автоматически с диспетчерского пункта.
Линия предназначена для переработки горной массы преимущест-
венно из изверженных пород крупностью до 750 мм с содержани-
ем легкопромывистых включений до 5%. Производительность —
400 тыс. м3 щебня в год, из них 50% мелких фракций (до 20 мм).
Дополнительно предусмотрен выпуск 80 тыс. м3 обогащенного пес-
ка из отсевов дробления. Переработка производится по рассмот-
ренной технологической схеме для пород типа 1-1. Небольшое от-
личие состоит в отсутствии операции обезвоживания после про-
мывки в спиральном классификаторе.
ПДСУ-85 (рис. 5.33) имеет производительность 85 м3/ч и
сравнительно небольшую массу оборудования (145 т), компактно
размещаемого на площадке с размерами 40X45 м. Установка
предназначена для получения фракционированного щебня круп-
ностью до 40 мм. Технология переработки предусматривает трех-
стадийное дробление с работой дробилок II и III стадий дробле-
136
/Уссок
Рис. 5.32. Схема цепи аппаратов сборно-разборной автоматизированной дробиль-
ной линии САДЛ-И-400 по переработке изверженных пород:
/ — бункер с пластинчатым питателем; 2— агрегат крупного дробления со щековой дро-
билкой ШДП-9Х12; 3 — конвейеры ленточные стационарные; 4— агрегат среднего дробле-
ния с конусной дробилкой КСД-1750Гр; 5 — агрегат мелкого дробления с конусной дробил-
кой КМД-1750Гр; 6 — агрегат сортировки с двумя инерционными грохотами ГИС-62; 7 —
промывочный aiperar со спиральным классификатором 1K.CH-I5; 8— бункера-склады с ве-
совыми дозаторами; 9 — промежуточный бункер склад; 10 — конвейеры штабелеукладчики
ния в замкнутом цикле с грохотом, предварительное грохочение
после первичного дробления (продукты всех дробилок сортируют-
ся на одном агрегате), товарное грохочение без промывки подре-
шетного продукта первого агрегата сортировки па втором сортиро-
вочном агрегате.
• 5.5.3. Гравийно-щебеночные и гравийно-песчаные заводы. Такие
заводы при различных объемах производства выпускают широкую
номенклатуру продукции: фракционированный щебень из гравия с
наибольшей крупностью до 20 мм, гравий в виде смеси фракций
5... 20 мм, песок природный обогащенный и обогащенный из отсевов
дробления.
Соотношение между различными видами продукции зависит от
гранулометрического состава перерабатываемой горной массы.
При большом содержании в ней валунов и гравия по отношению к
песчаной составляющей основной продукцией являются гравий! и
щебень из гравия. В соответствии с этим заводы именуются гра-
вийно-щебеночными.
Технологическая схема такого завода, использующего горные
породы типа IV-2, представлена на рис. 5.34. Схема имеет две
технологические линии: щебеночную и гравийную. Первая образо-
137
Рнс. 5.33. Передвижная дробильно-сортировочная установка
ПДСУ-85:
/—приемный бункер с питателем; 2 — агрегат крупного дробления;
3 — агрегат среднего дробления; 4 — агрегат сортировки; 5 — агрегат
мелкого дробления; б — ленточные конвейеры; 7 — пульт управления
установкой
вана дробилками трех стадий дробления в сочетании с грохотами,
а также оборудованием для получения обогащенного песка из от-
севов дробления, вторая — представлена грохотом для разделения
гравийно-песчаной массы и оборудованием для обогащения при-
родного песка.
Число стадий дробления определяется крупностью валунов в
исходной горной массе. Если их размер не превышает 250 мм, то
дробление можно производить в две стадии.
Первые три операции в рассматриваемой схеме аналогичны и
для других технологических схем гравийно-песчаных заводов:
• I — разделение исходной горной массы по классу +150 на гра-
вийно-песчаный материал и валуны;
• II — первичное дробление надрешетного продукта (валунов);
• III — выделение предварительным грохочением гравийно-песча-
ного материала крупностью 0 ... 20 мм из подрешетного продукта
138
(О ... 150 мм), объединенного с продуктом первичного дробления.
Материал крупнее 40 мм направляется на вторичное дробление
(IV), а фракция 20 ... 40 мм — на третичное дробление (V) в
конусные дробилки, работающие в замкнутом цикле с грохотом
(VI), отделяющим из потоков дробимого материала в подрешет-
ный продукт фракцию 0 ... 20 мм.
Ограниченное содержание легкопромывистых включений в гор-
ных породах этого типа позволяет осуществлять промывку щебня
и гравия мелких фракций на грохотах одновременно с сортиров-
кой их на товарные фракции (VII, X).
Операции классификации и обезвоживания песка из отсевов
дробления и природного песка производятся так же, как в рас-
смотренной схеме для щебеночного завода, в спиральных класси-
фикаторах и обезвоживателях. В последних обогащенных песок
сгущают для обеспечения возможности его транспортирования
ленточными конвейерами.
Валуно-гравийно-песчаные и гравийно-песчаные породы, содер-
жащие до 50% валунов и гравия, часто загрязнены средне- и труд-
нопромывистой глиной в количестве до 10... 12% (тип IV-1).
В связи с этим технологические линии дополняют специальными
операциями промывки. Их обычно предусматривают на щебеноч-
ной линии в вибромойках для крупных фракций +20(40) мм (по-
сле предварительного грохочения III), исключая этим замазывание
глиной конусных дробилок и грохотов, а па гравийной — в корыт-
ных мойках для фракций 5 ... 20 мм с последующей сортировкой,
дополнительным ополаскиванием и обезвоживанием на грохотах.
При переработке сырья, загрязненного преимущественно сред-
непромывистыми включениями, весь материал промывают в ко-
рытных мойках перед грохочением на товарные фракции, как,
например, на крупном гравийно-песчаном заводе мощностью
2,1 млн. м3 в год Вяземского горнообогатительного комбината.
Завод и его технология представлены на рис. 5.35 ... 5.37. При
выпуске гравия и щебня из гравия фракций 3 ... 10 и 10 ...
20 мм обогащенный песок получают из суспензии технологическо-
го зумпфа (0 ... 3 мм), которую сначала перекачивают в сгусти-
тельные воронки, а затем обезвоживают в спиральном классифи-
каторе с удалением частиц менее 0,16 мм.
Если в сырье присутствуют только легкопромывистые включе-
ния, то из предусмотренных трех этапов промывки — на грохотах,
в корытных мойках и дополнительном ополаскивании па грохо-
тах— два последних исключаются (см. пунктирные линии на рис.
5.35 и 5.36).
Технологические схемы гравийно-песчаных заводов могут пре-
дусматривать также совместный выпуск щебня и гравия. Он допу-
стим при соблюдении требований стандарта на щебень из гравия
По содержанию дробленых зерен и при соответствующем технико-
экономическом обосновании.
139
I Исходная горная масса
О...SOOмм
/ Рохо venue
О... /SOmm
/SOmm
Лердаанае /дробленаe
cl=/SOmm
М1ДС 0*9, e=7SMM
ZO...4Omm
4Omm
O... 2OMM
I ZO---/SOmm
/77-4омм
P7^ZOmm
|zZ.. /SOmm
/рохонение
/Рлсси/рикарая
S... ZOmm
доение
/'роаа venue
O. .0,76мм
ZO...4Omm
4Omm
Ресок обогаи/енно/й
ff./ff... Smm
а оёеаОомаОамае
О... 0,70мм |
Одоздо/наОанне
и ирамы Она'
ikiMM
Рп/орииное
Продление
SC//-/7JO/P e=
F Трети woe dpo
PMjZ-77SOr
е-/Омм
c//=4Omm
£7д=2Омм
"| O. . 20мм
Рис. 534 Технологическая схема гравпйно-щебе-
песяХ 3аВ°Да П0 пеРеРаботке валуно-гравийно-
песчаных горных пород, загрязненных легкопро-
мывистыми включениями:
I?,' — н°мера технологических операций- d — оачме-
^рс™йеРдТрИобилИоТк;ГРотОТоВ; &о7РдоЗМоР р0а^рузочных от-
nnnnVKTOn- т - W О ... оии до О ... 0,16 — крупность
иасс продукта « В°Д“.
Мс.Г00//пя /70/7Н/7 Я MGLC/1
0... 700мм
J/7OI7OV001/0 0 /J0mm
0... 700мм £/JZZ
77000i/vM0r 0/7Я077елшг
UfflHWZ, е~/70мм
^0... ZJ0mm
Гр/ш/че/ше
7/7//771/V///71
0/7ffZi/7e77l//’
m /77777 -220/77
Ш7---—--------
e- £ мм
0/77Ц7//ЧН/7Я 0/7Я0/7Я-
К---
М/е ХСД - 777/7 7/7,
е-2/мм
Лряммяя//
у/?. 7мм
Om/ff
/7~7гОмм __
. — — —.--------------------------—— 277
\О... 0Т/МЛ7
\ 7 ZZ0O7WM£7/77O4M>/e
у fff///.w£7a
’ 277/и/и
T/7OJ7OVf/7l/e £7 J/MM
Z0...J0mm\j... 70мм
----V
0...JMM
£7//олш77/<а
J... 777мм | e- /MM
£/7е/в
/7/777/И7СЛ7/0аН7/е,
£/7£7C77Vef///P I/
oitejTtoMi/fiaHue - 777мм
d, Jmm
Олоог/смм/ат/т/е,
epojreveme т/
ote/Tto/Hc/faiHi//’
0/еяем> uj г/гаяия
70... Z0mm J... 70мм
07=70мм
0?=Jmm
0...JMM
T/roSuu
777.. 2Omm J.../ffiHM
Г-
72i/M//Mi/e
\/7,/e...jMM, T K^7:2
£'/Л777Ф
/70£> 10П Ж720/7M/Я
07есяя о0/7г/7/ц/,//нм0 0^/0... Jmm 0... 0,70mm
Рис. 5 35. Технологическая схема гравийно-песчаного завода по переработке ва-
луио-гравий —песчаных горных пород, загрязненных легко- и средиепромывис-
тыми включениями (обозначения как на рис. 5.34)
\
Совместный выпуск осуществляется объединением щебеночного
(дробленого) и гравийного (сортированного) материалов одинако-
вых фракций перед подачей на склад готовой продукции.
• 5.5.4. Гравийно-песчаные и песчаные заводы с гидромеханизи-
рованиым способом добычи сырья. Их продукция наряду с пере-
численной для гравийно-песчаных заводов включает обогащенный
песок с модулем крупности более 2,5 и полным остатком на сите
№ 063 до 70%, а также фракционированный песок крупностью
0,16 ... 0,63 (1,25) мм и 0,63 (1,25)—5 мм.
Особенностью технологии переработки горной массы, подавае-
мой в виде пульпы, например, от земснаряда, является ее пред-
варительное разделение (как правило, в конических гидрогрохо-
тах) на два потока: песчаный и гравийный, перерабатываемые
затем раздельно.
В соответствии с этим на заводах выделяют гравийно-щебе-
ночную и песчаную линии, состоящие из узлов и блоков, связан-
ных гидравлическим и конвейерным межцеховым транспортом.
Блоки называются в соответствии с проводимыми в них техноло-
гическими операциями. Гравийно-щебеночная линия может состо-
ять из блоков: предварительного разделения, грохочения гравия,
первичного дробления, вторичного и третичного дробления, грохо-
чения щебня из гравия. Песчаная линия обычно включает блоки
гидроклассификации, сгущения и обезвоживания.
Принципиальная блок-схема гравийно-песчаного завода с ис-
пользованием большинства операций переработки горной массы,
добытой средствами гидромеханизации, представлена на рис.
5.38.
Включение определенных блоков в схему связано с грануло-
метрическим составом перерабатываемой горной массы и требуе-
мой номенклатурой продукции. Например, блок первичного дроб-
ления включается в схему при наличии валунов (+150 мм). В за-
висимости от крупности гравия дробление может производиться в
одну-две стадии или совсем исключается (а с ним и соответствую-
щие блоки), если содержание гравия +70 мм незначительно и до-
пустим выпуск его крупных фракций. В этом случае из схемы
также исключается промежуточный склад и переработка произ-
водится без разрыва технологического потока. Поточность дости-
гается установкой блока предварительного разделения над всем
технологическим оборудованием (высокое расположение) и мате-
риал самотеком перемещается сверху вниз.
При наличии промежуточного склада (поточно-циклическая
схема) блок предварительного разделения обычно имеет низкое
расположение, перемещение гравийно-щебеночного материала в
соответствии с принятыми схемами дробления и грохочения осу-
ществляется ленточными конвейерами, т. е. технология гравийно-
щебеночной линии в этом случае аналогична технологии гравийно-
песчаных заводов с экскаваторным способом добычи сырья.
143
При низком расположении блока предварительного разделения
песчаная фракция направляется в блок сгущения, а затем в
зумпф, оттуда землесосом перекачивается в блок классификации
для дальнейшей переработки с целью получения фракционирован-
ного и обогащенного песка. При производстве рядового песк/а бло-
ки гидроклассификации и обезвоживания исключаются из песчаной
линии и материал подается на карты намыва напорным гидро-
транспортом, а при высоком расположении блока предварительного
разделения — самотеком. Если к выпуску предусмотрен только
фракционированный песок, то крупная и мелкая фракция непо-
средственно после гидроклассификатора подаются на карты намы-
ва и из схемы исключаются блоки обезвоживания и сгущения
Песчаная линия рассмотренной блок-схемы положена в основу
технологии песчаного завода (проект ВНИПИИстромсырье), ис-
200мм
200мм
0п/ /7аса сна а
станции
dpa&u//Kt//(Mfl-22007')
О...0мм ^ 20—Я0ММ
I 0/77 насаснаи станции
Zf/necHOHUZuvccKuu
//а склад 0.00мм
рис. 5 36. Схема цепи аппаратов гравийно-песчаного завода мощно
чаных пород с легко- и среднспромывистыми
а — отделение первичного дробления; б — отделение вторичного и третичного
1 — пластинчатый питатель 1-24-120; 2— колосниковый грохот; 3 — щековая
(2 шт.); 6 — виброгрохот ГИЛ-52 (24 шт.); 7 — корытная мойка К-14 (8 шт.);
тительная воронка И4500 (2 шт.);
144
' 5 ' ' ’Ж
пользующего сырье месторождений с содержанием гравия до 5%
(рис. \5.39). Линия дополнена блоком предварительного разделе-
ния высокого расположения и блоком грохочения гравия (рис.
5.40). \
В коническом гидрогрохоте из пульпы выделяются зерна гра-
вия и поступают на вибрационный грохот для отделения песча-
ных примесей и-получения рядового гравия +5 мм. Песчаная
пульпа направляется самотеком в гидроклассификатор типа ГКХ
(с верхним подводом смеси), оттуда мелкая фракция песка (0 ...
0,63 мм) через верхний трубопровод поступает в сгустительные
воронки, а крупная (0,63 ... 5 мм) — из нижнего трубопровода в
спиральный классификатор, куда подается и подрешетпый продукт
виброгрохота, для обезвоживания и обогащения удалением в слив
фракции до 0,16 мм. Мелкая фракция песка сгущается в воронках
до оптимальной концентрации (1:2 ... 1:4 — соотношение масс
воды и песка) с одновременным сбросом в слив фракции до
0,16 мм, а затем поступает в двухспиральные классификаторы с не-
Дробления; в — отделение сортировки и промывки, г— цех получения обогащенного песка:
дробилка ЩДП-9Х12; 4—виброгрохот ГИТ-71 (2 шт.); 5 — конусная дробилка КСД-1750Гр
в— промежуточные бункера (8 шт.); 9— конусная дробилка КМД-2200Т (2 шт.); 10 — сгус-
11 — классификатор 2КСН-24
145
Рис. 5.37. Гравийно-песчаный завод мощностью 2,1 млн. м3 в год Вяземского ГОКа:
Г —корпус отделения первичного дробления; 2 —корпус отделения вторичного и третичного дробления; 3 —корпус отделения сортировки
и промывки. 4 — цех получения обогащенного песка, 5 — погрузочные бункера щебня из гравия на железнодорожный транспорт
склад щебня из гравия, / — склад обогащенного песка,, S — погрузочные бункера гравия на железнодорожный транспорт, 9— склад гравия:
10 — железнодорожная ветка нз карьера г
Исходная
пульпа
Лредёарителбное разЛелеяие
Vmm Kohuvhckuй
гиарогрохогп
/ратооение
/иЛрОклиссифинация
|Лля/ Smm
tyaffuu
O,S... 5мм
Рдездожимание
В...О^мм\
Сгуецение
\ff,rff... О, Л мм ~Р,И>мм
Одездажиёание
0,5... 5мм -О,Кмм
\ЦТ6...О,ВММ
-О,/5мм
Слад
Лесок
Вёрос Лесок
Рис. 5.39 Технологическая схема песчаного завода с гидромеха гази-
рованным способом добычи сырья для месторождения с содержа-
нием гравия до 5%
погруженной спиралью. Обезвоженный песок транспортируют лен-
точными конвейерами на склад готовой продукции.
• 5.5.5. Склады готовой продукции. Типы складов характеризу-
ются способом складирования и отгрузки различных заполнителей,
формой штабеля, режимом работы (завода-д склада) и вмести-
мостью.
На щебеночных и гравийно-песчаных заводах применяют сле-
дующие типы складов.
Конусный склад (рис. 5.41) характеризуется подачей заполни-
телей ленточным конвейером, точечным сбросом и отгрузкой экс-
каваторами, погрузчиками или конвейерами. Оп обычно применя-
ется на заводах небольшой мощности (до 600 тыс. м3 в год), ра-
ботающих сезонно или круглогодично.
Штабельный эстакадно-траншейный склад (рис. 5.42) отлича-
ется подачей заполнителей ленточными конвейерами, расположен-
ными на эстакаде и оборудованными передвижной сбрасывающей
тележкой, и отгрузкой также ленточными конвейерами, располо-
женными в подштабельной траншее. Заполнители над общей под-
штабельной траншеей хранятся между разделительными стенками
пофракционно, при этом учитывается угол естественного откоса
складируемого материала, зависящий от его влажностного состоя-
ния. Для щебня и гравия оп составляет 35 ... 45° (меньшие зна-
чения для влажного материала), для сухого песка — 25 ...35° в
зависимости от крупности. Для влажного песка угол естественно-
го откоса увеличивается в соответствии с его крупностью до 30 ...
148
Рис. 5 41. Конусный склад
40°, а для мокрого уменьшается до 15 ... 27°. В целях предупреж-
дения сепарации — неравномерного распределения зерен заполни-
теля по крупности, высота свободного падения в штабель ограни-
чивается 5 ... 6 м Люки, через которые материал поступает на
конвейер в подштабельной траншее, располагаются друг от друга
на расстоянии 3 . . 3,5 м, что позволяет свести к минимуму объем
«мертвых» зон в штабелях. Этот тип склада широко распространен
на заводах средней и большой мощности.
Штабельно-эстакадный склад отличается от рассмотренного
выше отсутствием подштабельной траншеи, строительство которой
бывает невозможно из-за неблагоприятных гидрологических, кли-
матических и друшх условий. Поэтому отгрузку продукции произ-
водят экскаваторами и погрузчиками
Для гравийно-песчаных и песчаных заводов с гидромеханизи-
рованным способом добычи сырья, работающих сезонно, преду-
сматривают склады с круглогодичной отгрузкой заполнителей.
При мощности заводов до 1,2 млн. м3 в год применяют шта-
бельный склад с подачей заполнителей передвижным штабелеук-
ладчиком, а для более мощных заводов — штабельно-кольцевой
(см. рис. 5 40), образуемый радиально-передвигающимся консоль-
но-поворотным конвейером и отвалообразователем.
Склады располагают на плотном основании из хранимого ма-
териала.
Используются также намывные склады песка при его подаче
грунтовыми насосами или самотеком. На каждую фракцию песка
принимают три карты намыва (в намыве, в отстое и в подготовке
к намыву). Их размер в плане 50 X 60 и 100X120 м при высоте
намыва 6 ... 10 м. Для обезвоживания песка и отвода воды с карт
намыва предусматривают дренаж.
Отгрузку заполнителей со всех складов производят экскавато-
рами и погрузчиками.
Вместимость складов готовой продукции различных заводов по
нормам технологического проектирования приведена в табл 5.3 и
5.4.
На складах необходимо принимать меры против смерзания за-
полнителей, которое зависит от определенной величины их влаж-
150
Рис. 5.42. Штабельный эстакадно-траншейный склад
ности. Заполнители должны сохранять сыпучее состояние, позво-
ляющее без осложнений производить погрузочно-разгрузочные ра-
боты.
Таблица 53 Полезная вместимость складов готовой продукции для заводов
с круглогодовым режимом работы и отгрузкой иа железнодорожный транспорт
Мощность завода, тыс. м3/год Рекомендуемая общая вместимость склада Площадь основания склада, тыс. м2
тыс. м3 сут
600 ...900 22 28 8 5.0 7,0
1000... 1500 28. 38 7 7,0 ... 9,0
2000.. 2800 36. 46 6 9,0 .. 11,5
Таблица 54 Полезная вместимость складов готовой продукции для заводов
с сезонным режимом работы и круглогодовой отгрузкой на железнодорожный
транспорт
Мощность завода, тыс. м3/год Рекомендуемая общая вместимость склада, тыс. м3 Площадь основания склада, тыс. м2
До 600 800 ..1200 1200 2000 До 240 240 480 480 800 До 30 30 60 60 100
Выше указывалось, что для повышения качества заполнителей
на завершающей стадии технологического процесса переработки
применяют операции промывки и классификации. Однако оборудо-
вание для обезвоживания механическим путем не удаляет влагу
из готового продукта до такой степени, чтобы предотвратить его
смерзание. Влажность песка после операции обогащения может
составлять 19 ... 30%. Простым способом дальнейшего обезвожи-
вания является свободное дренирование, при котором вода фильт-
руется через промежутки между твердыми частицами под действи-
ем силы тяжести. Обезвоживание песка продолжается около ме-
сяца. За это время его влажность уменьшается до 3 ... 5%.
151
Обезвоживание щебня и гравия на вибрационных грохотах
позволяет снизить влажность до безопасных для смерзания пре-
делов, в основном, лишь для крупных фракций (свыше 20 мм).
Наиболее полного удаления влаги из заполнителей можно
добиться сушкой как теплым, так и холодным воздухом (метод
сублимации). Но эти методы дорогостоящи и не решают проблемы
смерзания в периоды атмосферных осадков и колебания темпера-
туры около 0°С.
Эффективным и дешевым является способ естественного про-
мораживания, обеспечивающий сыпучесть материала. Он заключа-
ется в том, что заполнители на складе периодически перелопачи-
вают экскаваторами, перемешивают специальными рыхлителями
или перемещают послойно смерзающийся материал в отдельный
штабель.
Одним из перспективных способов, предотвращающих смерза-
ние влажных заполнителей, является гидрофобизация поверхно-
сти зерен. Добавки против смерзания можно вводить в сыпучую
массу путем распыления сжатым воздухом из форсунок. Так, по
предложению треста «Оргтехстрой» Главприокскстроя песок обра-
батывают щелочным стоком от производства капролактама
(ЩСПК), который является пластифицирующе-воздухововлекаю-
щей добавкой для бетона. В результате — песок зимой не теряет
сыпучие свойства.
Итак, применение добавок, предохраняющих заполнители от
смерзания, не должно оказывать отрицательного влияния на
требуемые свойства бетонной смеси и бегона. Желательно, чтобы
эти добавки, как в вышеприведенном примере, обладали кроме
противоморозного действия полезными свойствами, повышающими
качество бетона. В этом случае повышается экономическая эффек-
тивность их применения.
Таким образом, определяющими для технологии производства плот-
ных заполнителей являются тип добытой для переработки горной породы
и способ ее добычи — экскаваторный или гидромеханизироваиный. Совре-
менные технологические схемы производства заполнителей с учетом их
номенклатуры и качества, а также применяемого оборудования обычно
представляют двух- или трехстадийную схему дробления с замкнутым
циклом на последней стадии, операции предварительного и окончательного
грохочения, промывки, классификации и обезвоживания. Это позволяет
получать заполнители требуемого качества для наиболее широко приме-
няемых в строительстве бетонов.
1. Как подразделяются горные породы по происхождению? Охарактери-
, зуйте их состав и свойства. 2. Какие виды песков используют для бето-
на? 3. Как в соответствии с модулем крупности подразделяются пески?
4. Какие примеси могут содержаться в песке? Почему и до каких пределов
их содержание ограничено стандартом? 5. В чем состоит обогащение песка?
Как оно осуществляется? 6. Какими способами добывают песок? Какие ма-
шины и оборудование применяют для добычи? 7. Для чего применяется
гидравлическая классификация? На чем она основана? Какие типы клас-
сификаторов применяют, по какому принципу они действуют? 8. Как осу-
ществляют обезвоживание песка? 9. Как предотвратить смерзание песка
152
на складах? 10. Какие виды грохочения различают по технологическому
назначению? Для чего они служат? 11. Что такое эффективность грохо-
чения? От чего она зависит? 12. Какие машины используют для промыв-
ки крупных заполнителей? 13. С какой целью и какими способами осу-
ществляют обогащение крупных заполнителей? 14. По каким показателям
устанавливают марку щебня? Какие требования предъявляются стандар-
том к прочности щебня по отношению к прочности тяжелого бетона? 15.
Как осуществляют добычу скальных горных пород? 16. Как связана ста-
дийность дробления со степенью измельчения и крупностью горной массы?
17. Чем вызвана необходимость дробления в замкнутом цикле и как он осу-
ществляется? 18. Для чего применяют избирательное дробление? В чем
его сущность? 19. По каким характеристикам добытую горную массу клас-
сифицируют для переработки? Как подразделяются перерабатываемые
горные породы? 20 Какие типы заводов различают в зависимости от ха-
рактера производства и основных видов выпускаемых заполнителей? 21. Что
понимают под принципом построения технологической схемы, ее поточ-
ностью, структурой? 22. В зависимости от чего и где в технологических
схемах предусматривают операции промывки? С применением какого обо-
рудования? 23. Какие особенности характерны для технологии производ-
ства щебня из неоднородных по прочности горных пород? 24. Каковы осо-
бенности технологии переработки горной массы, добываемой гидромехани-
зированным способом? 25. Какие типы складов применяют на щебеноч-
ных и гравийно-песчаных заводах? 26. От чего зависит вместимость скла-
дов, какой запас заполнителей должен быть предусмотрен на них?
Глава 6
ПРИРОДНЫЕ ПОРИСТЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ
Из разнообразных пористых горных пород получают
заполнители для легких бетонов. Но эти заполнители
обладают также некоторой прочностью, которая,
хотя и меньше, чем у заполнителей из плотных гор-
ных пород, но все же достаточна для получения бе-
тонов требуемых классов.
• По крупности зерен пористые заполнители делятся на песок
(до 5 мм) и щебень. Щебень разделяют на фракции 5 ... 10, 10 ...
20 и 20 ... 40 мм. Допускается также щебень крупностью 5 ... 20
или 5 ... 40 мм.
• Основная маркировка пористых заполнителей установлена по
насыпной плотности. Если она составляет 400 ... 500 кг/м3, за-
полнитель относят к марке 500, при насыпной плотности до
600 кг/м3 — к марке 600 и т. д. ГОСТ 22263—76 предусматривает
марки щебня 300, 350, 400 и далее до 1200 с градацией через
100 кг/м3; марки песка — 500 ... 1400.
• Кроме того, установлены марки щебня по прочности, при-
чем для разных видов щебня стандартом предусмотрены соответ-
ствующие требования к прочности при сдавливании в цилин-
дре.
Как указано в гл. 2, прочность пористого заполнителя наиболее
целесообразно определять непосредственным испытанием в бе-
тоне.
Стандартом предписано применение пористых заполнителей
различных марок по прочности в тех или иных легких бетонах.
Согласно ГОСТ 22263—76, для щебня разных марок по насып-
ной плотности установлены минимально допустимые марки по
прочности.
Таким образом, все основные показатели свойств заполнителей
и направление их использования в бетонах взаимосвязаны.
Как правило, чем мельче фракция пористого заполнителя, тем
больше ее насыпная плотность и плотность зерен. Это объясняет-
ся тем, что при измельчении пористость материала уменьшается,
причем в первую очередь за счет разрушения материала по наибо-
лее крупным порам. Интенсивность увеличения плотности по мере
дробления зависит от крупности пор в материале и равномерности
154
их распределения. Разница в плотности песка и щебня для мелко-
пористых пород сравнительно невелика, а для крупнопористых
значительна.
При дроблении пористой породы с увеличением плотности зе-
рен возрастает и их прочность. Прочность зерен заполнителя выше
прочности исходной породы, определенной испытанием сравнитель-
но крупных образцов. Поэтому допускается использование для про-
изводства заполнителей пористых горных пород, предел прочно-
сти которых при сжатии не менее 50% требуемого предела проч-
ности бетона.
Коэффициент размягчения щебня из пористых горных пород
должен быть не менее 0,6 при использовании в конструкционно-
теплоизоляционных и не менее 0,7 — в конструкционных бето-
нах.
Природные пористые заполнители могут быть вулканического
или осадочного происхождения.
6.1. ЗАПОЛНИТЕЛИ ВУЛКАНИЧЕСКОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ
• Природные пористые заполнители вулканического происхожде-
ния представляют собой изверженные главным образом обломоч-
ные породы. На территории СССР они встречаются лишь в неко-
торых районах. В ряде случаев целесообразна перевозка их в
другие районы и даже на большие расстояния, если это оправдано
технико-экономическим расчетом.
К пористым горным породам, используемым для получения
заполнителей, относят пемзы, шлаки, туфы, а также пористые
базальты и андезиты.
• 6.1.1. Пемза. Пемза — пористое стекло, образовавшееся в ре-
зультате вспучивания и застывания магмы, выброшенной при из-
вержении вулканов. Выход магмы из недр на поверхность сопро-
вождался резким спадом давления. При этом растворенные в
расплаве газы выделялись в виде пузырьков. Одновременное ох-
лаждение привело к увеличению вязкости магмы, и она застыла
в виде пористой породы губчатого или волокнистого строения от
серовато-белого до коричневого цвета. Крупнейшие месторождения
пемзы находятся в Армении. Имеется пемза на Северном Кавказе
и Камчатке.
Пемза встречается преимущественно в виде залежей песка,
щебня и более крупных обломков. Производство пемзовых запол-
нителей состоит в разработке карьеров, дроблении и сортировке
материалов.
В большинстве случаев пемза по химическому составу относит-
ся к кислым породам и состоит в основном из стекла (содержа-
ние кристаллических минералов обычно менее 1э/о).
155
Размеры пор в пемзе от долей миллиметра до 3 мм, форма
пор округлая или вытянутая. Пористость зерен достигает 85%.
Насыпная плотность пемзового песка различных месторождений
составляет 600... 1100 кг/м3, щебня — 400...900 кг/м3, плотность
зерен — 0,5 ... 1,9 г/см3.
Предел прочности пемзы при сжатии составляет 2,5 ... 40 МПа.
Пемза имеет ячеистую структуру, и поэтому зависимость прочно-
сти от плотности приблизительно выражается уравнением квад-
ратной параболы, т. е. формулой (2.10) при п=2.
Наименее пористые, более тяжелые и прочные пемзы (их назы-
вают литоидными, т. е. камнеподобными) используют для получе-
ния легких конструкционных бетонов. В Закавказье из таких вы-
сокоэффективных бетонов сооружаются различные конструкции,
в том числе перекрытия, мосты, гидротехнические сооружения.
Более легкие разновидности пемзы используют в качестве
заполнителей для теплоизоляционных и конструкционно-теплоизо-
ляционных легких бетонов.
• 6.1.2. Вулканические шлаки. Месторождения вулканических
шлаков имеются в Армении, Грузии, на Камчатке и в других
местах.
Вулканические шлаки образовались из жидкой магмы основ-
ного состава, выбрасываемой при бурном извержении в воздух.
Песок, щебень, а также крупные глыбы вулканического шлака
(вулканические бомбы) перерабатываются в заполнители частич-
ным дроблением и фракционированием.
Внешне вулканические шлаки похожи на топливные. Они име-
ют темную окраску от красноватой до черной. Структура крупно-
пористая, ноздреватая.
Насыпная плотность щебня 400... 850 кг/м3, песка 650...
1300 кг/м3. Вулканические шлаки используют в качестве запол-
нителей для легких бетонов различного назначения.
• 6.1.3. Туфы и туфовые лавы. Вулканические туфы — это мел-
копористые породы, образовавшиеся из вулканического пепла с
различной степенью уплотнения и спекания, а туфовая лава — это
быстро остывшая поризованпая лава, в которую попали вулкани-
ческие пепел и песок. Наиболее значительные месторождения в
Армении.
Туфы и туфовые лавы залегают массивами и используются для
производства стеновых камней и крупных блоков. Образующиеся
при разработке карьеров камнерезными машинами отходы (более
50% разрабатываемого объема камня) после дробления и сорти-
ровки дают щебень с насыпной плотностью 600 ... 800 кг/м3 и
песок — 700... 1000 кг/м3, пригодные для легких бетонов.
Туфы имеют зернистую структуру (см. гл. 2), туфовые лавы —
переходную, иногда близкую к ячеистой. По данным М. 3. Симо-
нова, зависимость предела прочности от плотности туфовы\ лав
выражается формулами (2.9) или (2.10) с показателем степени
156
около 3, а для туфов — 4 и более. Поэтому при одинаковой плот-
ности туфовая лава обычно прочнее туфа, но менее прочна, чем
пемза.
Некоторые виды туфов недостаточно водостойки и морозостой-
ки вследствие слабых связей между зернами в их структуре. При-
менение таких туфов в качестве заполнителей для бетона не до-
пускается. Однако они могут быть использованы как сырье для
получения высококачественного заполнителя (А. 3. Татишвили
и др.).
6.2. ЗАПОЛНИТЕЛИ ОСАДОЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Для получения пористых заполнителей из осадочных горных
пород в основном используются карбонатные — пористые известня-
ки и ракушечники, а иногда пористые кремнеземистые породы.
• 6.2.1. Пористые известняки и ракушечники. При дроблении из-
вестняков плотностью менее 1800 кг/м3 получают щебень с насып-
ной плотностью до 1000 кг/м3 (при межзерновой пустотности
примерно 40 ... 50%), который в соответствии с классификацией
ГОСТ 9757—83 относится к пористым заполнителям.
Известняки-ракушечники представляют собой осадочные поро-
ды в виде скопления мелких раковин, сцементированных извест-
няковыми отложениями. Они отличаются от обычных мелкопори-
стых известняков ноздреватой крупнопористой структурой.
Плотность известняков-ракушечников составляет в основном
1000 ... 1600 кг/м3 при пределе прочное!и 0,5 ... 10 МПа, а обыч-
ных пористых известняков—1600 . 1800 кг/м3 при пределе
прочности до 25 МПа. Встречается также разновидность пористых
известняков в виде известкового туфа — осадка углекислых вод с
плотностью 1400 ... 1800 кг/м3 и пределом прочности при сжатии
5 ... 15 МПа.
Предел прочности пористых известняков пропорционален плот-
ности в 4... 5-й степени, т. е. пористость в данном случае при-
водит к значительно большему снижению прочности, чем в мате-
риалах типа пемзы, туфовых лав и даже вулканических туфов.
Еще сильнее снижается прочность с уменьшением плотности ра-
кушечников (в 5...6-й степени), что объясняется некомпактной
упаковкой зерен-ракушек.
Необходимо, однако, иметь в виду, что приведенные показатели
прочности получают испытанием на сжатие выпиленных из породы
образцов. Зерна дробленого заполнителя, как указано выше, ока-
зываются прочнее исходной породы. Поэтому на пористых извест-
няках и ракушечниках без существенного перерасхода цемента
(по сравнению с другими заполнителями) получают бетоны плот-
ностью 1800 ... 2200 кг/м3 и пределом прочности 5 ... 20 МПа.
Месторождения пористых известняков и ракушечников широко
распространены на Украине, в Молдавии, Азербайджане, Средней
157
Азии и ряде областей РСФСР. Они являются источником получе-
ния пиленого камня для массового строительства. Остающиеся в
карьерах отходы после дробления и сортировки дают заполнители
для бетонов.
В некоторых районах имеются залежи рыхлого ракушечника,
т. е. несцементированных между собой раковинок и их осколков.
Этот материал может быть применен в качестве заполнителя для
бетона непосредственно или после некоторого дробления.
• 6.2.2. Кремнеземистые породы. Среди кремнеземистых пород
осадочного происхождения ограниченное применение в качестве
заполнителей находят опока, спонголит, алевролит, месторождения
которых разрабатываются на Украине и в Грузии. Эти пороты
имеют плотность 800 ... 1400 кг/м3, предел прочности при сжатии
2,5 ... 15 МПа. Структура зернистая, мелкопористая.
В состав указанных пород входит аморфный кремнезем в виде
опала, халцедона. Они весьма активно взаимодействуют со щело-
чами цемента. Поэтому в цементном бетоне такие заполнители
применять опасно, они могут вызвать коррозионные процессы.
6.3. ОБОГАЩЕНИЕ ПОРИСТЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
Обогащение пористых заполнителей состоит в повышении их од-
нородности по плотности и прочности, улучшении формы зерен,
уменьшении содержания пыли. Описанные выше принципы обога-
щения заполнителей из плотных
Рис. 6.1. Схема пневматической отсадоч-
ной машины:
/ — подача воздуха вентилятором; ? — клапа-
ны; 3 — решето; 4 — загрузка; 5 — отбор са-
мых тяжелых зерен; 6 — выход сравнительно
тяжелого продукта; 7 — выход легкого про-
дукта; 8 — запыленный воздух
пород могут быть использованы
для пористых заполнителей.
Однако специфические свой-
ства легких пористых за-
полнителей требуют осуще-
ствления обогащения други-
ми способами.
Вместо отсадки в вод-
ной среде можно использо-
вать отсадку в воздушной
среде. Для этого имеются
пневматические отсадочные
машины, работающие сле-
дующим образом (рис. 6.1).
Воздух, подаваемый венти-
лятором, периодически нап-
равляется системой клапа-
нов то в одну, то в другую
камеру машины, создавая
пульсацию слоя материала
на решеге. В результате
многократного разрыхления
восходящим потоком возду-
158
Рис. 6.2. Схема сепаратора для обогащения пористых
заполнителей:
1 — решето; 2 — фильтр; 3 — подача воздуха; 4 — песок; 5 —
загрузка заполнителя: 6 — выдача легкого продукта; 7 —
выдача сравнительно тяжелого продукта
ха материал расслаивается, тяжелые зерна оказываются внизу,
более легкие — вверху, откуда и отбираются. Одновременно мате-
риал очищается от пыли.
Аналогичен описанному в гл. 5 способу разделения заполните-
лей в тяжелых водных суспензиях способ сепарации пористых за-
полнителей в пневмосуспензии. Установка (рис. 6.2) работает
следующим образом. Воздух через фильтр непрерывно нагнетает-
ся в слой песка, отчего последний «кипит». Подбором песка соот-
ветствующей плотности и крупности получают требуемую плот-
ность пневмосуспензии, в которой часть зерен крупного пористого
заполнителя тонет, другая часть всплывает. Разделенный на два
класса крупный пористый заполнитель отбирается вместе с песком,
от которого затем отделяется грохочением. Песок возвращается
в установку.
Менее надежен, но проще способ разделения в воздушном по-
токе (рис. 6.3). Если ссыпать материал поперек воздушного пото-
ка, создаваемого вентилятором, то поток в большей степени от-
клонит сравнительно мелкие или более легкие зерна. При предва-
рительном фракционировании заполнителя по крупности таким
образом можно произвести классификацию по плотности зерен.
Перечисленные способы сухой классификации можно приме-
нять при разделении пористого заполнителя на два класса для
повышения его однородности или для выделения из заполнителя
тяжелых включений. В пемзе, например, часто содержится примесь
тяжелых зерен вулканического стекла (обсидиана), при удалении
159
Рис. 6.3. Разделение пористого
заполнителя в воздушном по-
токе:
1 — легкий продукт; 2 — сравнитель-
но тяжелый продукт; 3 — вентиля-
тор; 4 — питатель
которых повышаются качество за-
полнителя и эффективность его ис-
пользования.
Зерна пористых заполнителей
при дроблении нередко получаются
слишком остроугольными, далеки-
ми от подобия шару или кубу. Из-
за этого пустотность щебня доходит
до 60%, что вызывает повышенный
расход цемента. Удобоукладывае-
мость бетонных смесей при прочих
равных условиях ухудшается.
По форме зерен щебень из по-
ристых горных пород, согласно
ГОСТ 22263—76, подразделяется
на четыре группы со следующими
ограничениями массовой доли зерен
пластинчатой (лещадной) формы:
обычный — не более 30 %; улучшен-
ный — не более 20; кубовидный —
не более 15; окатанный—не более
10%.
Для получения окатанного щебня А. А. Аракеляном разработан
способ его обработки во вращающемся барабане с последующим
отсевом мелочи. Форма зерен пористого щебня может быть улуч-
шена также при использовании для дробления исходной породы
специальных барабанных дробилок.
Природная сырьевдя база некоторых регионов нашей страны распо-
лагает запасами пористых заполнителей, на основе которых после соот-
ветствующих операций добычи, дробления, сортировки и обогащения по-
лучают эффективные легкие бетоны.
1. В каких районах страны имеются природные пористые заполнители?
2. По какому показателю качества пористых заполнителей производится
их основная маркировка? 3. Перечислите природные пористые заполни-
тели вулканического происхождения. Какова их структура и как она ска-
зывается на зависимости прочности от плотности? 4. Из каких осадочных
пород получают пористые заполнители? 5. Как изменяется плотность и
прочность пористых заполнителей по мере их дробления? 6. Каковы основ-
ные способы обогащения пористых заполнителей, повышения их качества и
однородности?
Глава 7
ЗАПОЛНИТЕЛИ ИЗ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Значительным резервом в обеспечении строительства
заполнителями для бетонов являются отходы различ-
ных отраслей промышленности, которые в настоящее
время еще используются далеко не полностью.
7.1. ПОПУТНО ДОБЫВАЕМЫЕ ПОРОДЫ
В ходе разработки месторождений полезных ископаемых часто
приходится попутно разрабатывать различные каменные породы,
чтобы открыть доступ к полезному ископаемому. Особенно велики
объемы вскрышных работ при открытой разработке месторожде-
ний.
Часто объем полезного ископаемого составляет 10 ... 15%, а
объем вскрышной породы — до 90%, причем нередко попутно
добываемые породы, являющиеся по существу также полезными
ископаемыми, вывозятся в отвал.
Исследования, проведенные в Днепропетровском инженерно-
строительном институте, показали, что щебень, получаемый из
попутно добываемых кварцитов одного из железорудных место-
Еождений, вполне может заменить привозной гранитный щебень.
Себестоимость его в 2... 3 раза ниже себестоимости привозного.
Согласно данным института ВНИПИИстромсырье, этот щебень
целесообразно использовать в бетонах с пределом прочности до
30 ... 35 МПа даже при неблагоприятной форме зерен (пластин-
чатых и игловатых до 40%), вызывающей перерасход цемента на
8 ... 12%.
Возникает вопрос: распространяются ли описанные в гл. 5 тех-
нические требования к заполнителям на промышленные отходы?
С одной стороны, технические требования к заполнителям для бе-
тона сформулированы в стандартах безотносительно к источникам
их получения, т. е. эти требования относятся и к заполнителям из
промышленных отходов. С другой стороны, требования стандартов
отражают не только техническую сторону проблемы, но и эконо-
мическую. Если, например, сырье данного месторождения даст
заполнитель невысокого качества и его применение приведет к не-
обходимости дополнительных затрат, то вполне возможно, что из
6-462 161
экономических соображений разработка данного месторождения
не целесообразна. В этом смысле ограничения, предусмотренные
стандартами, конечно, оправданы. Но ведь отходы промышленно-
сти, попутно разрабатываемые горные породы уже добыты, затра-
ты на их разработку уже произведены, более того, их вывоз в от-
валы связан с немалыми дополнительными затратами. Очевидно,
при этом не следует формально придерживаться требований стан-
дартов, можно воспользоваться содержащимися в них оговорками
о допустимости тех или иных послаблений «по соглашению сто-
рон» или «при соответствующем технико-экономическом обоснова-
нии». На основании тщательного исследования заполнителей из
тех или иных отходов промышленности в установленном порядке
разрешается их использование, а при необходимости утверж-
даются новые государственные стандарты или технические усло-
вия.
В народнохозяйственных интересах следует в первую очередь
использовать уже добытое природное сырье. Этого требуют и
интересы охраны природы.
Среди пород, попутно добываемых при разработке месторож-
дений различных полезных ископаемых, многие можно применять
не в качестве заполнителей непосредственно, а в качестве сырья
для их производства. Так, на основании исследований Днепропет-
ровского филиала НИИСП Госстроя УССР и других организаций
на нескольких заводах в качестве сырья для производства керам-
зита используется глина вскрышных пород Никопольского марган-
цеворудного бассейна. В Белгородском технологическом институте
строительных материалов доказана эффективность использования
для получения керамзита попутно добываемых метаморфических
глинистых сланцев Курской магнитной аномалии. Подобных при-
меров немало.
7.2. ОТХОДЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ В ПРОЦЕССЕ ОБОГАЩЕНИЯ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Кроме вскрышных и сопутствующих пород, залегающих в ме-
сторождениях слоями и разрабатываемых отдельно, есть горные
породы, которые не удается при разработке отделить от полезного
ископаемого. Их добывают вместе с полезными ископаемыми, а
потом различными способами отделяют в процессе его обогащения
с выделением так называемой пустой породы. Пустая порода мо-
жет быть в виде щебня или песка.
• Например, отходы горно-обогатительного комбината (Днепро-
петровск) представляют собой железистые кварциты в виде щебня
сухой магнитной сепарации, содержащего 70% кремнезема и до
14 ... 18% железа и мелкого песка (модуль крупности до 1,64).
По данным исследования, проведенного в Полтавском инженерно-
строительном институте, использование этих отходов в качестве
162
заполнителей позволяет получать высокопрочные и стойкие бетоны
для ответственных конструкций.
• В каменноугольных бассейнах страны отходы добычи и обога-
щения углей скопились в отвалах — терриконах. Они представля-
ют собой пустую породу с некоторым содержанием угля. В ре-
зультате возгорания угля в терриконах образуются так называе-
мые горелые-породы. Как показали исследования Новосибирского
инженерно-строительного института, горелые породы в виде пори-«
стого щебня и песка с насыпной плотностью 800 ... 1000 кг/м3
можно использовать в качестве дешевого местного заполнителя
для легких бетонов с пределом прочности 10 ... 20 МПа при уме-
ренных расходах цемента.
• В качестве сырья отходы углеобогащения применяются при
производстве искусственного пористого заполнителя — аглопорита.
Аглопорит можно получать и из глинистых пород, но при этом
требуется значительный расход топлива (каменного угля). Если
же используются отходы углеобогащения, достигается экономия
топлива, так как угля, содержащегося в отходах, вполне доста-
точно для процесса агломерации.
7.3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ШЛАКИ
• Металлургическая промышленность ежегодно дает около 50 млп.т
шлаков, а в отвалах их скопилось около 500 млн. т. Это глав-
ным образом доменные шлаки, а также мартеновские, ваграночные
и др. Так, при выплавке чугуна на каждую тонну основной про-
дукции получают 0,5 ...1т шлака. Если оценить выход не по
массе, а по объему, то шлака получается в 2... 3 раза больше, чем
чугуна. Поэтому называть шлаки отходами можно лишь условно.
В сущности это не отходы, а тоже ценный, попутно добытый про-
дукт.
Недостаточное использование металлургических шлаков при-
водит не только к недоизвлечению прибыли, но и к удорожанию
основной металлургической продукции за счет больших затрат на
вывозку шлаков и содержание огромных отвалов.
Химический состав металлургических шлаков разнообразен.
Доменные шлаки состоят в основном из следующих оксидов: 30 ...
50% СаО, 30 ... 40% SiOz, 10 ... 30% А12Оз, а также содержат
примеси железа, магния, марганца, серы.
По химическому составу различают шлаки основные, для ко-
торых модуль основности
Л1 Са0 J
0 S1O2+AI2O3 '
и кислые, для которых Мд<;1.
Частично доменные шлаки используют в цементной промыш-
ленности. Некоторая их часть применяется для получения шлако-
6* 163
ваты, литых изделий и т. д. При этом значительный объем шла-
ков текущего выхода, а также запасы отвальных шлаков могут
быть использованы для получения заполнителей.
• 7.3.1. Щебень из доменного шлака. Щебень для бетона можно
получить из доменных шлаков текущего выхода или дроблением и
сортировкой шлаков из старых отвалов.
Шлаки в отвалах неоднородны по составу и свойствам В за-
висимости от условий остывания степень их кристаллизации раз-
лична. Неодинакова их пористость и прочность. В связи с этим
Шлак О. РООмм
Электромагнитная
сепарация /
/ротсачение I
7ООмм\ О... 700мм
Дробление/
* J О.../ООмм
рлектромагнитная
сепарация Л
ДооОлениеЛ
Металлолом
/ролочение Л
Трохачение JV
О... 7,25 мм
Л грпнулир*
Ранному шлаку
Лесок
7,20. Рмм
Рис. 7.1. Технологическая схема производства щебня из до-
менных шлаков
164
целесообразна выборочная разработка старых отвалов или обо-
гащение шлака после дробления на щебень.
Универсальная технологическая схема переработки доменных
шлаков для получения 250... 300 тыс. м3 щебня в год показана
на рис. 7.1. По этой схеме для дробления шлаков используют
щековые дробилки со сложным движением щеки, которые позво-
ляют получить-щсбепь фракций 5 ... 20, 20 ... 40 и 40 ... 70 мм
с содержанием зерен кубической формы более 90%. Двойная
электромагнитная сепарация позволяет освободить щебень от ме-
таллических включений. Отсевы дробления (0 ... 5 мм), состав-
ляющие порядка 40%, разделяют грохочением на ситах со щеле-
видными пустотами на две фракции 1,25 ... 5 мм (песок) и 0 ...
1,25 мм. Последнюю можно использовать в качестве мелкой со-
ставляющей к гранулированному шлаку или в виде пульпы к рас-
плаву доменного шлака при получении граншлака.
При использовании огненно-жидкого доменного шлака текуще-
го выхода его сливают на специальные литейные площадки или в
траншеи, где шлак при медленном остывании кристаллизуется.
В силу неравномерного охлаждения образуются трещины, поэтому
охлажденный массив доступен непосредственной разработке экска-
ватором с последующим дроблением. Для усиления растрескива-
ния и облегчения последующей переработки шлак после кристал-
лизации (при естественном охлаждении до температуры примерно
900°С) поливают водой.
ГОСТ 5578—76 содержит технические требования к щебню из
доменного шлака, в основном аналогичные требованиям к обыч-
ному щебню из природного камня. Важным дополнением являют-
ся требования по устойчивости структуры.
В зависимости от химического и минералогического составов
некоторые шлаки могут подвергаться распаду. Иногда кусковой
шлак самопроизвольно превращается в порошок. Исследованиями
установлено, что основной причиной возможного разрушения яв-
ляется образование в шлаке неустойчивых силикатов кальция,
претерпевающих затем объемные деформации. Такое разрушение
называют силикатным распадом.
Чтобы проверить стойкость шлакового щебня к силикатному
распаду, пробу испытывают пропариванием над кипящей водой
или в автоклаве в среде насыщенного водяного пара при давлении
0,2 МПа (ГОСТ 9758—86). Таким образом процессы распада си-
ликата кальция нестабильной формы интенсифицируются и прояв-
ляются в измельчении зерен. Шлаковый щебень считается стой-
ким к силикатному распаду, если в результате испытания потеря
в массе данной фракции, т. е. отсев мелочи на сите, не превыша-
ет 5%.
Предварительная оценка пригодности доменного шлака для про-
изводства щебня производится по данным химического анализа.
Предполагается, что шлак будет иметь устойчивую структуру, если
165
массовая доля в нем оксида кальция удовлетворяет условию
СаО < 0,92 SiO2+А12О3+0,2 MgO
Устойчивую структуру имеют, как правило, кислые шлаки.
Для стабилизации в шлаки, склонные к распаду, вводят неко-
торые добавки, растворяющиеся в расплаве и направляющие кри-
сталлизацию в желаемом направлении с образованием устойчивых
минералов.
По показателю дробимости при сжатии (раздавливании) в ци-
линдре щебень из доменного шлака подразделяется на четыре
марки: Др45 — для бетона с пределом прочности ниже 20 МПа,
Др35 — для бетона с пределом прочности 20 ... 30 МПа, Др25 —
для бетона с пределом прочности 30 ... 40 МПа, Др15 — для
бетона с пределом прочности 40 МПа и выше.
Таким образом, на щебне из доменного шлака можно получать
высокопрочные бетоны для разнообразных конструкций. Шлако-
вый щебень в районах сосредоточения металлургической промыш-
ленности обходится значительно дешевле других заполнителей,
в частности щебня из природного камня, его применение дает
большой экономический эффект.
Однако содержащаяся в шлаке сера может вызвать коррозию
стальной арматуры. В связи с этим использование шлакового
щебня в производстве железобетонных конструкций с предвари-
тельно напряженной арматурой должно быть обосновано специ-
альными исследованиями, а если содержание серы больше 2,5%,
то требуется специальное исследование бетонов для всех видов
конструкций.
Насыпная плотность шлакового щебня для тяжелого бетона
должна быть не менее 1000 кг/м3. Это плотный и прочный запол-
нитель черного или темно-серого цвета, шероховатый в изломе.
Некоторые виды шлаков, так называемые «газистые», вспучи-
ваются пузырьками выделяющихся газов и застывают в виде по-
ристого материала. Например, пористые отвальные шлаки завода
«Азовсталь» имеют плотность зерен 0,4... 1,6 г/см3 и предел
прочности соответственно 2,5 ...40 МПа (пропорциональный
квадрату плотности). Насыпная плотность щебня из таких шлаков
составляет 800 кг/м3 и менее, поэтому он может быть применен
для легких бетонов. В основном же пористые заполнители для
легких бетонов из металлургических шлаков получают искусствен-
ной поризацией.
Для получения высокопрочного плотного щебня из доменного
шлака часто требуется их дегазация. Это может быть достигнуто
введением в шлаковый расплав специальных добавок, а также,
как показали П. А. Кривилев и другие, путем его виброобработки.
Отвальные пористые шлаки в значительной степени неодно-
родны. Для того чтобы повысить эффективность их применения,
как показали исследования Донецкого ПромстройНИИпроекта
166
(А. А. Баринов и др.), целесообразно обогащение с разделением
по плотности на ппевмоклассификаторах, серийно выпускаемых
промышленностью и используемых на углеобогатительных фаб-
риках.
Исследование ВНИИОМпромжилстроя показало возможность
разделения предварительно фракционированного пористого шлака
способом метания с помощью быстроходного (15 м/с) питателя.
Дальность полета зерен шлака—12... 19 м, причем легкие зерна
падают ближе, чем тяжелые.
В Днепропетровском инженерно-строительном институте
(Б. Ш. Дубовый, В. Е. Бойко) разработана технология разделения
шлакового щебня воздушной струей вентилятора. Чем легче зерна,
тем дальше от вентилятора относит их воздушная струя. Так,
при исходной насыпной плотности шлакового щебня (фракции
10 ... 20 мм) 950 кг/м3 был получен щебень трех классов с на-
сыпной плотностью 1;210, 970 и 730 кг/м3. На самом тяжелом
можно получать конструкционные бетоны более высокой прочно-
сти при меньшем расходе цемента, па самом легком — бетоны с
меньшей теплопроводностью. Экономический эффект в 10 раз пре-
высил затраты на разделение щебня.
• 7.3.2. Гранулированный шлак. При обработке огненно-жидких
металлургических шлаков водой происходит резкое охлаждение
шлакового расплава и его грануляция — дробление на отдельные
мелкие зерна. Структура зерен аморфная, стеклообразная.
По зерновому составу гранулированный шлак соответствует
крупному песку: размер зерен преимущественно 0,6 ... 5 мм, при-
чем примерно 50% (по массе) составляют зерна крупнее 2,5 мм.
Нередко имеются более крупные зерна (до 10 мм).
Насыпная плотность гранулированного шлака колеблется в
широких пределах — 600 ... 1200 кг/м3. Это связано с тем, что в
зависимости от свойств шлакового расплава и технологии грану-
ляции зерна гранулированного шлака могут получаться плотными
или пористыми. Пустотность гранулированных шлаков велика —
до 60 ... 70%.
Гранулированные доменные шлаки потребляются главным обра-
зом в производстве шлакопоргландцемента, по в значительном
объеме они используются также в качестве заполнителя для бе-
тонов.
Новокузнецким отделением УралНИИстромпроекта (Н. И. Фе-
дыпин, М. И. Диамант) исследована возможность использования
гранулированного доменного шлака (с дроблением для улучшения
зернового состава) в качестве заполнителя в мелкозернистом бе-
тоне. Такой бетон характеризуется высокой прочностью, водоне-
проницаемостью и повышенной стойкостью.
В некоторых районах, например в Приднепровье, нет природ-
ных песков требуемого зернового состава, применение мелких
песков вызывает перерасход цемента, а перевозка крупных песков
167
из других районов обходится слишком дорого. В этих условиях
экономически выгодно использовать имеющиеся гранулированные
шлаки для обогащения природных мелкозернистых песков, при-
меняя их в смеси (К. И. Хохолев, Г. В. Пухальский и др.).
В Белорусском политехническом институте (С. М. Ицкович,
В. А. Богдан, В. А. Балашевич) исследованы гранулированные
ваграночные шлаки Могилевского металлургического завода и
других заводов Белоруссии. Установлена эффективность их ис-
пользования в бетонах различного назначения: высокопрочном,
конструкционно-теплоизоляционном, жаростойком и декоративном.
7.4. ТОПЛИВНЫЕ ШЛАКИ
• После сжигания каменного угля, антрацита, бурого угля и
других видов топлива остаются шлаки. Они представляют собой
спекшиеся минеральные включения, всегда содержащиеся в иско-
паемых углях в виде примесей и сопутствующих пород.
Различают шлаки от сжигания кускового топлива и шлаки,
получаемые при сжигании измельченного, пылевидного топ-
лива.
• 7.4.1. Шлаки от сжигания кускового топлива. При слоевом сжи-
гании кускового топлива на колосниковых решетках топок обра-
зуется шлак в виде кусков неправильной формы, ноздреватого
строения, черного, темно-бурого и серого цвета, различной круп-
ности, преимущественно до 50 мм. Выход шлаков составляет около
10% массы сжигаемого топлива, а иногда и более. В ряде мест
топливные шлаки скапливаются в достаточных для использования
объемах.
По составу топливные шлаки неоднородны. Помимо собствен-
но шлака они содержат остатки несгоревшего или не полностью
сгоревшего топлива, глинистые включения, в различной степени
обожженные и т. д. Поэтому такие шлаки не всегда являются
достаточно прочными и стойкими. Лучшими в этом отношении
считаются шлаки от сжигания антрацита, худшими — от сжигания
бурых углей.
Насыпная плотность топливных шлаков до 1000 кг/м3, плот-
ность зерен 1,5 ... 2 г/см3.
В качестве заполнителей топливные шлаки применяются в
бетонах, пведназначенных для неответственных конструкций:
шлакобетонных стеновых блоков, монолитных стен в малоэтаж-
ном строительстве, гипсобетонных перегородочных плит и т. д. Они
могут рассматриваться как местный дешевый материал с ограни-
ченными возможностями применения.
В шлаках, используемых для бетонов, не должно быть свобод-
ных оксидов кальция или магния. Остатки топлива не должны
превышать 5 ... 10% (лишь в антрацитовых шлаках иногда допу-
скается больше). Наличие сернистых соединений может вызвать
168
коррозию цементного камня и арматуры. Часто шлак склонен к
распаду.
Можно привести пример использования непроверенных шлаков
для возведения шлакобетонных стен свинарника. За счет расши-
рения шлакобетона продольных стен (первоначальная длина зда-
ния 50 м, через год 51 м) торцевые стены были сдвинуты с фун-
даментов. Поверхность шлакобетона покрылась трещинами. Под
относительно прочным поверхностным слоем вся масса шлакобе-
тона оказалась взрыхленной.
Экспертиза обнаружила в топливном шлаке значительное со-
держание извести. Примесь известняка в угле обжигалась в топках
при очень высокой температуре. Получилась пережженная из-
весть, крайне медленно гасящаяся. Из-за высокой влажности при
эксплуатации свинарника она постепенно загасилась, что и вызва-
ло увеличение объема шлакобетона.
Поэтому .свежие шлаки, не вылежавшие в отвалах хотя бы
год, применять для бетона не рекомендуется. После выдержки
шлаков в отвалах производится их обогащение отсевом мелких
фракций, в которых в основном сосредоточиваются остатки топли-
ва и других вредных примесей.
• 7.4.2. Шлаки от сжигания пылевидного топлива. Уголь в топках
тепловых электростанций сжигается в пылевидном состоянии. При
этом наряду с золой образуется кусковой шлак (5 ... 20% общего
выхода отходов). Годовой выход шлаков тепловых электростан-
ций Минэнерго СССР составляет около 6 млн. т.
Шлаки от сжигания пылевидного угля резко отличаются от
шлаков кускового сжигания. Они представляют собой продукт
спекания и оплавления наиболее легкоплавкой части золы. В
большинстве случаев имеют малопористую стекловидную структу-
ру с плотностью зерен более 1,6 г/см3. При сжигании бурых и
смешанных каменных углей образуются пористые шлаки ячеистой
структуры с плотностью зерен 0,5... 1,5 г/см3.
По данным Донецкого ПромстройНИИпроекта, на шлаках
тепловых электростанций УССР получают бетоны различного на-
значения с пределом прочности 5 ... 50 МПа.
Согласно ГОСТ 26644—85 «Щебень и песок из шлаков тепло-
вых электростанций для бетона», содержание остатков несгорев-
шего топлива, определяемое потерей массы при прокаливании,
ограничивается величиной от 3 до 7% в зависимости от вида топ-
лива и назначения бетона (в армированных или неармированных
конструкциях). Предусмотрено испытание на морозостойкость,
стойкость против силикатного и железистого распада. Ограничи-
вается содержание сернистых и сернокислых соединений, а также
свободного оксида кальция.
7.5. ЗОЛЫ И ЗОЛОШЛАКОВЫЕ
СМЕСИ
Ежегодно тепловые электростанции, работающие на угле, слан-
це или торфе, дают около 70 млн. т золы. Используется она пока
мало. На содержание отвалов тратится не менее 150 млн. руб. в
год. Кроме того, под отвалы приходится отводить значительные
площади ценных земельных угодий — 300 ... 1500 га возле каждой
крупной теплоэлектростанции.
Между тем научные исследования и имеющийся большой про-
изводственный опыт показали, что золы тепловых электростанций
могут быть эффективно использованы, в частности в качестве мел-
кого заполнителя для бетонов или как сырье для производства
заполнителей.
• Зола представляет собой дисперсный материал, в котором
размер частиц в основном менее 0,16 мм. Остаток на сите 0,16 мм
составляет 20 ... 40%. Частицы имеют пористую структуру. На-
сыпная плотность сухой золы в зависимости от вида топлива и
условий его сжигания может составлять 600 ... 1300 кг/м3.
В качестве мелкого заполнителя золу целесообразно использо-
вать в смеси с природным или дробленым песком, гранулирован-
ным шлаком. Это ведет к экономии цемента и улучшению свойств
бетона.
В настоящее время зола эффективно может применяться для по-
лучения плотного и ячеистого золобетона, в качестве мелкого
заполнителя или части его в тяжелых и особенно в легких бето-
нах.
Затруднения в применении золы связаны с тем, что на тепло-
вых электростанциях используют преимущественно гидроудаление
золы. Там, где налажен сухой отбор золы, ее качество и эффек-
тивность использования, по данным И. А. Иванова, значительно
выше.
В технических условиях на применение золы тепловых электро-
станций в качестве мелкого заполнителя для конструкционно-
теплоизоляционных легких бетонов (ТУ 21-33-1-73) приведены тре-
бования к зерновому составу и содержанию вредных примесей.
В частности, остатков топлива в золе, полученной от сжигания
бурых углей, допускается не более 5%, а от сжигания каменных
углей и антрацита—до 12% (по массе).
Нередко в золах бывает больше невыгоревшего топлива — до
20%, а иногда и до 40%. При этом ограничиваются возможности
использования золы в качестве заполнителя, особенно для арми-
рованных конструкций, но в этом случае ее целесообразно приме-
нять как сырье для производства искусственных пористых запол-
нителей. Большая работа в этом направлении проведена в ВНПО
стеновых и вяжущих материалов (М. П. Элинзон, С. Г. Василь-
ков).
170
• Применение золошлаковых смесей из отвалов гидрозолоудале-
ния тепловых электростанций в качестве заполнителей для бето-
нов регламентирует ГОСТ 25592—83. В зависимости от области
применения золошлаковые смеси подразделяют на два класса
(А — для тяжелого бетона, Б — для легкого бетона) и два вида
(I — для железобетонных конструкций, II — для бетонных конст-
рукций). В соответствии с такой классификацией технические тре-
бования к золошлаковым смесям предъявляются дифференциро-
ванно и касаются: содержания шлака, максимального размера его
зерен, содержания частиц мельче 0,315 мм, удельной поверхности,
насыпной плотности, влажности и химического состава. Ограниче-
ния по химическому составу касаются потери массы при прока-
ливании, содержания сернистых и сернокислых соединений, сво-
бодных оксидов кальция и магния.
7.6. ДРЕВЕСНЫЕ ОТХОДЫ
• На территории СССР сосредоточено около Уз мировых запасов
древесины, причем на 80% в наиболее ценных лесах хвойных по-
род. Массовая заготовка и переработка древесины связаны с на-
коплением отходов до 200 млн. м3 в год, в том числе около 50
млн. м3 опилок. В последнее время отходы древесины использу-
ются для производства древесностружечных и древесноволокни-
стых плит и других строительных материалов, а также в целлю-
лозно-бумажной, гидролизной промышленности, но большая их
часть все еще остается неиспользованной.
• Помимо отходов деревопереработки имеются отходы от перера-
ботки льна (костра) и другой сельскохозяйственной продукции.
Использование этих отходов в качестве дешевых местных запол-
нителей для легких бетонов целесообразно для массового мало-
этажного жилищного и сельскохозяйственного строительства во
многих районах.
Одним из таких бетонов является арболит, в котором Запол-
нителем служат измельченные отходы древесины (дробленка).
Дробленка состоит из частиц длиной до 40 мм, шириной и толщи-
ной 2 ... 5 мм. Бетон на этом заполнителе и портландцементе
при плотности 600 ... 700 кг/м3 имеет предел прочности при сжа-
тии 2,5 ... 3,5 МПа и теплопроводность до 0,18 Вт/(м-°С), что
позволяет получать весьма эффективные стеновые панели и дру-
гие конструкции.
Применяют также опилкобетон, в котором заполнителем слу-
жат древесные (хвойных пород) опилки, иногда в смеси с при-
родным песком, костробетон (с льняной кострой) и другие анало-
гичные бетоны.
В отличие от всех рассмотренных выше минеральных заполни-
телей древесные отходы, как и отходы от переработки сельскохо-
зяйственной продукции, являются органическими. При применении
171
таких заполнителей в цементных бетонах необходимо учитывать
возможность их вредного влияния на процессы гидратации и твер-
дения цемента. Содержащиеся в них или образующиеся со вре-
менем органические кислоты и сахаристые вещества замедляют
твердение бетона, а также могут вызвать коррозию цементного
камня. Поэтому необходима специальная обработка подобных за-
полнителей с целью локализации и компенсации вредных явлений.
Полезно предварительное вымачивание древесных отходов в воде,
нейтрализация экстрактивных веществ известью, применение хи-
мических добавок.
В Марийском политехническом институте разработана техноло-
гия утилизации древесной коры — отхода лесной и деревообраба-
тывающей промышленности. Кора, особенно сосновая,— прекрас-
ный теплоизоляционный материал, созданный природой,
подвергается специальной обработке и используется в качестве
заполнителя в бетоне. Коробетон имеет хорошие тепло- и звукоизо-
ляционные свойства, достаточно огнестоек, стены из него в 3,5 раза
дешевле кирпичных.
ЦНИИЭПжилища рекомендует для некоторых районов страны
при наличии древесных отходов применять углебетон Заполните-
лем в нем служит древесный уголь, получаемый обжигом отходов
древесины. По данным Н. Я. Спивака, углебетон характеризуется
пределом прочности при сжатии 0,8 ... 4 МПа при плотности
375 ... 700 кг/м3, достаточной огнестойкостью (температура, воз-
горания 400... 500°С), малой теплопроводностью, биостой-
костью.
7.7. ДРУГИЕ ОТХОДЫ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
• Отходы промышленности сборного железобетона в виде некон-
диционных бетонных и железобетонных изделий и конструкций,
остатков товарного бетона, а также отслуживших срок эксплуата-
ции изделий скапливаются в значительном объеме и подлежат
переработке с целью получения заполнителя для бетона и повтор-
ного использования в строительстве.
Переработку осуществляют на специальных установках, про-
екты которых разработаны, например, СКТБ Производственно-
проектного объединения Моспромстрой, а полученный материал
используют в соответствии с рекомендациями НИИЖБа по при-
менению продуктов переработки некондиционных бетонных и же-
лезобетонных изделий.
Одна из таких установок (рис. 7.2) работает на Московском
комбинате железобетонных конструкций № 2.
Технологический процесс переработки некондиционных железо-
бетонных изделий состоит из двух этапов: предварительного раз-
рушения изделий с отделением арматуры и последующего дроб-
ления отделенной массы бетона.
172
Рис. 7.2. Установка по переработке некондиционных железобетонных из-
делий и бетонных отходов производства:
i — гидравлический рычажный пресс; 2 — колосниковый стол; 3 — приемный бункер;
4— конвейер ленточный; 5 — дробилка щековая; 6 — буикера-накопнтели
Основной рабочий орган агрегата разрушения изделий и отхо-
дов бетона состоит из гидравлического рычажного пресса (макси-
мальное усилие разрушения до 2000 кН, рабочее 1300 кН), коло-
сникового стола (решетка 100X500 мм), направляющей рамы и
гидравлической станции.
Колосниковый стол перемещается по направляющей раме под
гидравлическим рычажным прессом, дробящая балка которого
соответствует ширине колосникового стола. Наибольшие размеры
перерабатываемых некондиционных изделий—7000X3200x600 мм.
Размер кусков бетона, продавливаемых через колосниковый стол
и подаваемых ленточными конвейерами в щековую дробилку
СМД-109, допускается до 200 мм.
Дробленый материал фракций 0 ... 70 мм транспортируют
ленточным конвейером в четыре бункера-накопителя вместимостью
8 м3 каждый.
Управление механизмами установки дистанционное, автомати-
ческое с пульта.
Установка занимает площадь 45X13 м и располагается в од-
ном из пролетов склада готовой продукции, обслуживаемого мо-
стовым краном. Ее производительность 12... 13 тыс. м3 щебня в
год.
• В качестве заполнителя для бетона издавна использовался
кирпичный щебень, получаемый дроблением боя обыкновенного
керамического кирпича. Кирпич, как и другие керамические мате-
риалы, получаемые обжигом глинистого сырья, достаточно прочен
и долговечен. Плотность кирцича — около 1,7 г/см3, щебень из
него имеет насыпную плотность 800 ... 900 кг/м3, т. е. относится к
категории легкого. На таком заполнителе получают бетоны с пре-
делом прочности 10 ... 15 МПа и плотностью 1800 ... 2000 кг/м3,
т. е. на 20% легче, чем па обычных тяжелых заполнителях.
• На заводах асбестоцементных изделий отходы в виде обрезков,
крошки, некондиционной продукции составляют около 3% массы
всей продукции. Ежегодно скапливаются и вывозятся на свалки
десятки тысяч тонн таких отходов. Как показали исследования
Брянского технологического института, а также зарубежный опыт,
дробленые асбестоцементйые отходы представляют собой весьма
эффективный заполнитель для легких бетонов.
173
Приведенные примеры не исчерпывают возможности утилиза-
ции разнообразных отходов промышленности, а служат лишь ил-
люстрацией.
• В ряде случаев промышленные отходы можно использовать в
качестве сырья для получения заполнителей. Например, при про-
изводстве желтого фосфора из фосфоритов на 1 т продукции при-
ходится 10 т отходов в виде шлака. Из этих отходов в Казахста-
не организовано производство щебня, который в 2... 3 раза дешевле
щебня из природного камня. В Азербайджане получают искусствен-
ный пористый заполнитель — аглопорит из отходов алюминиевого
завода, а также из отработанного гумбрина — глины, используемой
в нефтеперерабатывающей промышленности для очистки нефтяных
масел.
Современные технологии переработки неоднородных городских
бытовых отходов предусматривают предварительное извлечение
из них ряда полезных веществ и термическую обработку. В резуль-
тате получают спекшиеся остатки, вполне пригодные в качестве
заполнителей для бетонов определенного назначения или материа-
ла для устройства оснований дорог вместо дробленых каменных
пород.
Таким образом, для разнообразных по назначению и свойствам бе-
тонов могут оказаться пригодными различные отходы или продукты их
переработки. В решении многоаспектной и сложной проблемы защиты ок-
ружающей среды от выбрасываемых отходов важная роль отводится стро-
ителям, имеющим возможность их использования в качестве заполнителей
для бетона. Потребность в заполнителях огромна, она соизмерима с объ-
емами имеющихся отходов, что позволяет значительно уменьшить расходо-
вание природных ресурсов в сфере строительства.
П 1. Почему промышленные отходы должны быть использованы в первую оче-
i редь? Как утилизация промышленных отходов связана с экологией и эко-
номикой? 2. Какие технологические переделы в производстве щебня исключа-
ются, если в качестве сырья используют каменные породы попутной добы-
чи других отраслей промышленности? 3. Каковы по зерновому составу отхо-
ды, получаемые в процессе обогащения полезных ископаемых? Как их можно
использовать? 4. Каковы особенности применения заполнителей из металлур-
гических шлаков, какие требуются дополнительные испытания? 5. Каковы
особенности применения топливных шлаков? 6. Что представляют собой
золы тепловых электростанций? Каковы зерновой состав и структура час-
тиц? Как используются золы в бетонах? 7. Какие древесные отходы мож-
но использовать в качестве заполнителей? Как предотвратить вредные воз-
действия органических веществ на цемент? 8. Образуются ли на промыш-
ленных предприятиях вашего города (области, республики) какие-либо от-
ходы, которые могут быть использованы в качестве заполнителей для бе-
тонов либо в качестве сырья для производства заполнителей?
Глава 8
ИСКУССТВЕННЫЕ ПОРИСТЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ
ьюоо°с
Применение легких пористых заполнителей позволяет
получать эффективные легкие бетоны для теплоизоля-
ции, стеновых панелей, монолитных стен и разнооб-
разных несущих конструкций. Замена обычных тяже-
лых заполнителей пористыми позволяет существенно
изменить свойства бетонов в желаемом направлении:
уменьшить плотность, улучшить теплоизоляционные свойства и
т. д. В то же время достаточная прочность ряда пористых запол-
нителей обеспечивает возможность получения на их основе кон-
струкционных легких бетонов высокой прочности.
Запасы природных пористых заполнителей в нашей стране
ограничены. Объем их производства составляет более 6 млн. м3 в
год. В основном они добываются в Закавказье, где и потребля-
ются.
Применение пористых заполнителей — отходов промышленно-
сти также носит локальный характер: вблизи предприятий, выда-
ющих такие отходы.
• Главный источник обеспечения потребности строительства и
строительной индустрии нашей страны пористыми заполнителями
для легких бетонов — специально созданная промышленность
искусственных пористых заполнителей. Эта новая отрасль быстро
развивается: если в 1960 г. в СССР действовало 20 предприятий
общей мощностью немногим более 1 млн. м3, то в 1970 г. — около
200 предприятий и выпущено более 13 млн. м3 искусственных по-
ристых заполнителей, а в 1987 г.— более 400 предприятий общей
мощностью около 50 млн. м3 в год.
Предприятия по производству искусственных пористых запол-
нителей создаются там, где в них есть потребность, и базируются
они, как правило, на местных источниках сырья. Себестоимость
искусственных пористых заполнителей, конечно, выше себестоимо-
сти промышленных отходов или природных пористых заполните-
лей (если последние имеются в данном районе), но часто ниже
себестоимости привозных заполнителей. Кроме того, искусствен-
ные пористые заполнители отличаются более высоким качеством
и эффективностью использования в бетонах.
175
Из искусственных пористых заполнителей наиболее распрост-
ранен в настоящее время (примерно 3/4 общего выпуска) ке-
рамзит.
8.1. КЕРАМЗИТ
Некоторые глины при обжиге вспучиваются. Это явление ис-
пользовано для получения из глин пористого материала — ке-
рамзита.
• Керамзит получают главным образом в виде керамзитового
гравия. Зерна его имеют округлую форму. Структура пористая,
ячеистая. На поверхности его часто имеется более плотная короч-
ка. Цвет керамзитового гравия обычно темно-бурый, в изломе —
почти черный.
Вспучивание глины при обжиге связано с двумя процессами:
газовыделением и переходом глины в пиропластическое состоя-
ние.
Источниками газовыделения являются реакции восстановления
оксидов железа при их взаимодействии с органическими приме-
сями, окисления этих примесей, дегидратации гидрослюд и других
водосодержащих глинистых минералов, диссоциации карбонатов
и т. д. В пиропластическое состояние глины переходят, когда при
высокой температуре в них образуется жидкая фаза (расплав), в
результате чего глина размягчается, приобретает способность к
пластической деформации, в то же время становится газонепро-
ницаемой и вспучивается выделяющимися газами.
• 8.1.1. Сырье. Сырьем для производства керамзита служат гли-
нистые породы, относящиеся в основном к осадочным горным.
Некоторые камнеподобные глинистые породы — глинистые слан-
цы, аргиллиты — относятся к метаморфическим.
Глинистые породы отличаются сложностью минералогического
состава и кроме глинистых минералов (каолинита, монтморилло-
нита, гидрослюды и др.) содержат кварц, полевые шпаты, карбо-
наты, железистые, органические примеси.
Глинистые минералы слагают глинистое вещество — наиболее
дисперсную часть глинистых пород (частицы мельче 0,005 мм).
Собственно глинами называют глинистые породы, содержащие
более 30% глинистого вещества.
Для производства керамзита наиболее пригодны монтморилло-
нитовые и гидрослюдистые глины, содержащие не более 30%
кварца. Общее содержание SiO2 должно быть не более 70%,
А12О3— не менее 12% (желательно около 20%), Fe2O3 + FeO— до
10%, органических примесей—1—2%.
• Пригодность того или иного глинистого сырья для производст-
ва керамзита устанавливают специальным исследованием его
свойств. Важнейшее из требований к сырью — вспучивание при
обжиге.
176
Вспучиваемость характеризуется коэффициентом вспучивания
kB=VKlVc,
где VK — объем вспученной гранулы керамзита; Vc — объем сухой
сырцовой гранулы до обжига.
Коэффициент вспучивания можно определить также по форму-
ле
где рс — плотность сухой сырцовой гранулы; рк — плотность вспу-
ченной гранулы керамзита; /7П — потеря в массе сухой сырцовой
гранулы при прокаливании, %.
Как правило, коэффициент вспучивания глинистого сырья для
производства керамзита должен быть не менее 2 (желательно не
менее 3 ... 4).
• Второе требование к сырью (в значительной степени связанное
с первым) — легкоплавкость. Температура обжига должна быть
не выше 1250°С, и при этом переход значительной части наиболее
мелких глинистых частиц в расплав должен обеспечить достаточ-
ное размягчение и вязкость массы. Иначе образующиеся при об-
жиге глины газы, не удерживаемые массой, свободно выйдут, не
вспучив материал.
• Третье из важнейших требований — необходимый интервал
вспучивания. Так называют разницу между предельно возможной
температурой обжига и температурой начала вспучивания данного
сырья. За температуру начала вспучивания принимают температу-
ру, при которой уже получается керамзит с плотностью гранулы
0,95 г/см3. Предельно возможной температурой обжига считается
температура начала оплавления поверхности гранул.
При производстве керамзита не допускается превышение тем-
пературы, при которой поверхность гранул оплавляется, так как
оплавленные гранулы склеиваются, что уменьшает выход керам-
зитового гравия и может привести к остановке печи. Температура
обжига должна быть ниже, но чем она ниже, тем меньше коэффи-
циент вспучивания, меньше выход продукции. Поэтому темпера-
тура должна поддерживаться на предельно допустимом уровне.
Вместе с тем необходимо считаться с практическими возможно-
стями поддержания в печи оптимальной температуры: она не мо-
жет быть стабильной и всегда имеет некоторые колебания, вызы-
ваемые труднорегулируемыми факторами. Чтобы обеспечить прак-
тическую возможность производства керамзита в промышленных
условиях, интервал вспучивания сырья должен быть не менее
50°С.
Этими и другими необходимыми качествами обладают далеко
не все глинистые породы. На некоторых керамзитовых предприя-
177
тиях страны с течением времени иссякли ресурсы местных вспучи-
вающихся глин и приходится завозить сырье из отдаленных место-
рождений, что, естественно, увеличивает себестоимость керамзита.
Отдельные предприятия работают на маловспучивающемся глинис-
том сырье, получая керамзит невысокого качества (сравнительно
тяжелый) и при этом с высокой себестоимостью.
В ряде случаев природное глинистое сырье может быть улучше-
но введением добавок. Например, коэффициент вспучивания можно
повысить, добавив в глину примерно 1 % мазута, солярового масла
или других органических веществ (если в глине мало органических
примесей), железистые добавки, в частности отход производства
серной кислоты из пирита — пиритные огарки (если в сырье мало
оксидов железа). Подобные добавки также используют для сниже-
ния температуры вспучивания.
В последние годы в качестве добавок к керамзитовому глинисто-
му сырью предложено и опробовано множество веществ. Среди них
органические и минеральные промышленные отходы, некоторые
горные породы (алунит, перлит), а также искусственно приготов-
ленные добавки.
В НИИкерамзит доказана возможность использования неконди-
ционного глинистого сырья путем добавления в него стеклопорош-
ков из специально сваренных легкоплавких стекол. Такая добавка
ведет к ускоренному накоплению жидкой фазы при обжиге, опере-
жающему активное газообразование. Подобный эффект достигается
.при использовании в качестве добавок к глинистому сырью молото-
го шлака тепловых электростанций, представляющего собой тоже
легкоплавкое стекло, а также зол тепловых электростанций.
Если золы или шлаки вводятся в больших дозах, сопоставимых
с расходом глинистого сырья, то получаемый керамзит обычно на-
зывают глинозольным или глиношлаковым. Чаще добавки вводятся
в сравнительно небольших дозах, и основным сырьем для произ-
водства керамзитового гравия остаются глинистые породы.
Для расширения температурного интервала вспучивания исполь-
зуют такой прием, как опудривание сырцовых глиняных гранул
порошком огнеупорной глины, мелким (молотым) кварцевым
песком или иным тугоплавким порошком, что позволяет повысить
температуру обжига и при этом избежать оплавления гранул.
Применение добавок нередко позволяет увеличить коэффициент
вспучивания исходного сырья в 2...3 раза, увеличить выпуск керам-
зита, повысить его качество и снизить себестоимость.
• 8.1.2. Основы технологии. Технология производства керамзита
включает следующие основные переделы:
• добычу сырья в карьере и его транспортирование в глинозапас-
ник;
• переработку исходного сырья и получение сырцовых гранул из
однородной керамической массы или зерен (крошки) установлен-
ных размеров;
178
• термическую обработку сырцовых гранул или зерен, включаю-
щую сушку, обжиг и последующее охлаждение готового продукта;
• сортировку, а при необходимости частичное дробление или раз-
деление готового продукта по плотности:
• складирование и отгрузку заполнителя.
Разработку месторождений глинистых пород производят откры-
тым способом. Для добычи глинистого сырья используют одноков-
шовые и многоковшовые экскаваторы, ведущие разработку в карье-
ре по всей высоте уступа, без выделения отдельйых пластов мате-
риала. При разработке камнеподобных глинистых горных пород
(глинистых сланцев, аргиллитов) перед экскавацией сырья произ-
водят буровзрывные работы.
Мягкие глинистые породы добывают в карьерах, работающих
сезонно, камнеподобные — в течение всего года. Для обеспечения
непрерывной работы заводов устраивают глинохранилища вмести-
мостью до полугодового запаса сырья с предохранением его от про-
мерзания. Запасы глины также хранят в промежуточных конусах,
где она вылеживается в течение нескольких месяцев на открытом
воздухе. В результате температурных воздействий, особенно моро-
за, переменного увлажнения и высушивания происходит предвари-
тельное разрушение естественной структуры сырья, значительно
облегчающее ее последующую переработку в однородную формо-
вочную массу.
Выбор способа переработки сырья определяется свойствами
исходного сырья, а качество заполнителя зависит от режима тер-
мической обработки, при котором создаются оптимальные условия
вспучивания подготовленных сырцовых гранул (зерен).
Различают четыре основные технологические схемы подготовки
сырцовых гранул, или четыре способа производства керамзита:
сухой, пластический, порошково-пластический и мокрый.
Сухой способ используют при наличии камнеподобного глини-
стого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистые слан-
цы). Он наиболее прост: сырье дробится и направляется во вра-
щающуюся печь. Предварительно необходимо отсеять мелочь и
слишком крупные куски, направив последние на дополнительное
дробление. Этот способ оправдывает себя, если исходная порода
однородна, не содержит вредных включений и характеризуется
достаточно высоким коэффициентом вспучивания. Влажность
сырцовой крошки не должна превышать 9%.
Наибольшее распространение получил пластический способ.
Рыхлое глинистое сырье по этому способу перерабатывается в
увлажненном состоянии в вальцах, глиномешалках и других агре-
гатах (как в производстве кирпича). Затем из пластичной глино-
массы на ленточных шнековых прессах или дырчатых вальцах
формуются сырцовые гранулы в виде цилиндров, которые при
дальнейшей транспортировке или при специальной обработке
окатываются, округляются.
179
Качество сырцовых гранул во многом определяет качество го-
тового керамзита. Поэтому целесообразна тщательная переработ-
ка глинистого сырья и формование плотных гранул одинакового
размера. Размер гранул задается исходя из требуемой крупности
керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэф-
фициента вспучивания.
Перерабатывающее оборудование выбирают в зависимости от
физико-механических свойств глин: их влажности и дисперсности.
Энергозатраты на переработку возрастают с повышением дисперс-
ности сырья и уменьшением его влажности. Обычно формовочная
влажность глин находится в пределах 18 . . 28%.
Гранулы с влажностью примерно 20% могут сразу направлять-
ся во вращающуюся печь или, что выгоднее, предварительно под-
сушиваться в сушильных барабанах, в других теплообменных
устройствах с использованием теплоты отходящих дымовых газов
вращающийся печи. При подаче в печь подсушенных и подогретых
гранул ее производительность может быть повышена.
Таким образом, производство керамзита по пластическому спо-
собу сложнее, чем по сухому, более энергоемко, требует значи-
тельных капиталовложений. Однако переработка глинистого сырья
с разрушением его естественной структуры, усреднение, гомогени-
зация, а также возможность улучшения его добавками позволяют
увеличить коэффициент вспучивания.
Порошково-пластический способ отличается от пластического
тем, что вначале помолом сухого глинистого сырья получают по-
рошок, а потом из этого порошка при добавлении воды получают
пластичную глипомассу, из которой формуют гранулы, как описа-
но выше. Необходимость помола связана с дополнительными за-
тратами. Кроме того, если сырье недостаточно сухое, требуется
его сушка перед помолом Но в ряде случаев этот способ подго-
товки сырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу,
то в порошкообразном состоянии его легче перемешать и гомоге-
низировать; если требуется вводить добавки, то при помоле их
легче равномерно распределить; если в сырье есть вредные вклю-
чения зерен известняка, гипса, то в размолотом и распределенном
по всему объему состоянии они уже не опасны; если такая тща-
тельная переработка сырья приводит к улучшению вспучивания,
то повышенный выход керамзита и его более высокое качество
оправдывают произведенные затраты.
Мокрый (шликерный) способ заключается в разведении глины
в воде в специальных больших емкостях — глиноболтушках.
Влажность получаемой пульпы (шликера, шлама)—примерно
50%. Пульпа насосами подается в шламбассейны и оттуда — во
вращающиеся печи. В этом случае в части вращающейся печи
устраивается завеса из подвешенных цепей. Цепи служат тепло-
обменником: они нагреваются уходящими из печи газами и под-
сушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на
180
гранулы, которые окатываются, окончательно высыхают, нагрева-
ются и вспучиваются. Недостаток этого способа — повышенный
расход топлива, связанный с большой начальной влажностью
шликера. Преимуществами являются достижение однородности
сырьевой пульпы, возможность и простота введения и тщательного
распределения добавок, простота удаления из сырья каменистых
включений и -зерен известняка. Этот способ рекомендуется при
высокой карьерной влажности глины, когда она выше формовоч-
ной (при пластическом формовании гранул). Он может быть
применен также в сочетании с гидромеханизированной добычей
глины и подачей ее на завод в виде пульпы по трубам вместо при-
меняемой сейчас разработки экскаваторами с перевозкой авто-
транспортом.
Сушка сырцовых гранул (ее выделение в отдельную технологи-
ческую операцию не обязательно) может производиться во вра-
щающейся печи для обжига или в отдельном сушильном агрегате.
Это связано с тем, что режимы сушки гранул небольших размеров
(6 ... 14 мм) не оказывают решающего влияния на качество по-
лучаемого керамзита.
При совмещении сушки и обжига в одной вращающейся печи
ее работа непосредственно зависит от поступления сырцовых гра-
нул с формующего оборудования, которое, так же как и печь,
должно работать непрерывно. С технологической точки зрения для
бесперебойного питания печей целесообразно иметь необходимый
запас сырцовых гранул, которые не слипались бы при хранении.
С этой целью производят предварительную подсушку гранул в
сушильном барабане, за счет чего увеличивается их прочность и
предотвращается возможность слипания между собой. Кроме этого
при вращении барабана гранулы окатываются и трещины в них,
которые могут возникнуть при формовании, закрываются. На
заводах большое распространение получили сушильные барабаны
диаметром 2,2 и 2,8 м, длиной 14 м, которые для улучшения теп-
ло- и массообмена дополнительно оборудуют теплообменниками
(трубчатыми, ячейковыми и др ).
Применяют также эффективные сушильные агрегаты типа сло-
евых подготовителей, подготовителей псевдоожиженного слоя, в
которых сырцовые гранулы высушивают до нулевой влажности и
подогревают перед обжигом.
Слоевой подготовитель (рис. 8.1) выполнен в виде вертикаль-
ной конструкции высотой около 10 м, состоящей из приемного
бункера, двух наклонных решеток, по которым самотеком переме-
щаются сырцовые гранулы, разгрузочного барабана и течки. Сушка
осуществляется отходящими из печи горячими газами, движение
которых в подготовителе показано стрелками. Газы сначала про-
ходят через материал на нижней решетке, затем рециркуляцион-
ным дымососом направляются под верхнюю решетку, а часть их —
возвращается вниз.
181
Обжиг глиняных гранул по опти-
мальному режиму является основной
технологической операцией в произ-
водстве керамзита. Для вспучивания
глиняной гранулы нужно, чтобы ак-
тивное газовыделение совпало по вре-
мени с переходом глины в пироплас-
тическое состояние. Между тем в
обычных условиях газообразование
при обжиге глин происходит в основ-
ном при более низких температурах,
чем их пнропластическое размягчение.
Например, температура диссоциации
карбоната магния — до 600 °C, карбо-
ната кальция — до 950 °C, дегидрата-
ция глинистых минералов происходит
в основном при температуре до 800°C,
а выгорание органических примесей
еще ранее, реакции восстановления
оксидов железа развиваются при тем-
пературе порядка 900 °C, тогда как в
пиропластическое состояние глины пе-
реходят при температурах, как прави-
ло, выше 1100 °C.
В связи с этим при обжиге сырцо-
вых гранул в производстве керамзита
необходим быстрый подъем темпера-
туры, так как при медленном обжиге
значительная часть газов выходит из
глины до ее размягчения и в резуль-
тате получаются сравнительно плотные маловспученные гранулы.
Но чтобы быстро нагреть гранулу до температуры вспучивания,
ее сначала нужно подготовить, т. е. высушить и подогреть. В дан-
ном случае интенсифицировать процесс нельзя, так как при слиш-
ком быстром нагреве в результате усадочных и температурных
деформаций, а также быстрого парообразования гранулы могут
потрескаться или разрушиться (взорваться).
Оптимальным считается ступенчатый режим термообработки по
С. П. Онацкому: с постепенным нагревом сырцовых гранул до
200 ... 600°С (в зависимости от особенностей сырья) и последую-
щим быстрым нагревом до температуры вспучивания (примерно
1200°С).
Обжиг осуществляется во вращающихся печах, которые в за-
висимости от конструкции подразделяются на однобарабанные, в
том числе с запечными теплообменниками, и двухбарабанные.
Наибольшее распространение получили однобарабанные враща-
ющиеся печи диаметром 2,5 м и длиной 40 м, представляющие со-
182
Рис. 82. Схема вращающейся печи для производства ке-
рамзита:
/ — загрузка сырцовых гранул; 2 — вращающаяся печь; 3 — фор-
сунка; 4 — вспученный керамзитовый гравий; 5 — поток горячих
газов
бой цилиндрический металлический барабан, футерованный внутри
огнеупорным кирпичом (рис. 8.2). Печи устанавливаются с укло-
ном примерно 3% и медленно вращаются вокруг своей оси. Благо-
даря этому сырцовые гранулы, подаваемые в верхний конец печи,
при ее вращении постепенно передвигаются к другому концу бара-
бана, где установлена газовая горелка или форсунка для сжигания
газообразного или жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся
печь работает по принципу противотока: сырцовые гранулы переме-
щаются навстречу потоку горячих газов, подогреваются и, наконец,
попав в зону непосредственного воздействия огненного факела фор-
сунки, вспучиваются. Среднее время пребывания гранул в печи —
около 1 ч.
Чтобы обеспечить оптимальный режим термообработки, зону
вспучивания печи, непосредственно примыкающую к форсунке,
иногда отделяют от остальной части (зоны подготовки) кольцевым
порогом. Аналогичный эффект достигается, когда барабан вращаю-
щейся печи имеет уширение в зоне вспучивания или уширения с
обоих концов и суженную среднюю часть — «талию».
Так как вспучивание гранул происходит при достижении глиной
пиропластического состояния, то даже незначительные отклонения
от заданных параметров производства могут привести к слипанию
гранул между собой или их прилипанию к футеровке печи (образо-
вание «спеков» или «приваров»). Как указано выше, эффективным
приемом в производстве керамзита является опудривание гранул
огнеупорными порошками. Оно осуществляется либо по свежефор-
мованным сырцовым гранулам в специальном барабане для опудри-
вания, либо непосредственно во вращающейся печи перед зоной
вспучивания, куда огнеупорный порошок подается специальным уст-
ройством (рис. 8.3). Опудривание гранул позволяет повысить ста-
бильность процесса производства, а в ряде случаев и температуру
183
Рис. 8 3. Устройство для ввода огнеупорного порошка во вра-
щающуюся печь:
/-—вращающаяся печь; 2 — бункер запаса опудривателя; 3 — устройство
для ввода опудривателя; 4 -г- горелка (форсунка); 5 — устройство для вво-
да вторичного воздуха; 6— элеватор
обжига, что ведет к снижению насыпной плотности керамзита и к
увеличению производительности печей.
Использование теплоты газов, отходящих из вращающихся пе-
чей, является источником снижения удельного расхода топлива.
Применение с этой целью внутрипечных и запечных теплообмен-
ников позволяет получить экономию топлива от 10 до 30%. В ка-
честве запечного теплообменника используют рассмотренный выше
слоевой подготовитель, входящий в состав обжигового агрегата
СМС-197 (рис. 8.4). Поскольку в слоевом подготовителе гранулы
не только полностью высушиваются, но и нагреваются до 200...
300 С, вращающаяся печь имеет значительно меньшую длину —
20 м, а диаметр — 2,8 м.
При обжиге керамзита в двухбарабанных печах зоны подготов-
ки и вспучивания представлены двумя сопряженными барабанами,
вращающимися с разными скоростями. Барабан тепловой подготов-
ки (меньшего диаметра) и барабан вспучивания (большего диа-
метра) располагаются или по одной оси — так, что первый несколь-
ко входит во второй, или на разных уровнях — соединенные между
собой промежуточной пересыпной камерой (рис. 8.5). Положение
каждого барабана на роликоопорах в процессе эксплуатации долж-
но быть строго фиксированным, особенно в первом случае, с тем
чтобы не допускать разуплотнения стыков и повышения нагрузок
на ролики. Барабаны тепловой подготовки имеют диаметр 2,5... 3 м
и длину 20... 35 м, а барабаны вспучивания соответственно 3,5...
4,5 м и 19...24 м. Каждый барабан имеет самостоятельный привод,
обеспечивающий вращение его с регулируемой скоростью. Скоро-
сти вращения барабанов подбирают так, чтобы в барабане вспучи-
вания пересыпающиеся гранулы подвигались в 1,5... 2 раза быстрее,
184
Рис. 8.4. Обжиговый агрегат СМС-197:
1 — слоевой подготовитель; 2— вращающаяся печь 2,8X20 м; 3 — слоевой холодиль-
ник; 4 — сырцовые гранулы
чем в барабане предварительной тепловой подготовки. В двухба-
рабанной печи удается создать оптимальный для каждого вида
сырья режим термообработки. Промышленный опыт показал, что
при этом улучшается качество керамзита, увеличивается его выход,
а также сокращается удельный расход топлива.
Мощность обжигового агрегата (м3/год)
^об.а=СТЛиА:о»
где С — паспортная часовая производительность обжигового агре-
гата по керамзиту М 500, м3/ч (для однобарабанной печи 2,5X40 —
10,8; агрегата СМС-197—12,4; двухбарабанной печи 2,5X20/3,5Х
Х24—13,3); Т — годовой фонд рабочего времени, Т—8760 ч; k„ —
коэффициент использования годового фонда рабочего времени, Ли=
==0,92 для печи 2,5X40 и агрегата СМС-197; /?„=0,86 для двухба-
рабанной печи; ko — объемный коэффициент выхода продукции,
учитывающий марку керамзита по насыпной плотности (Лго=1,0
для М500; 1,15 — для М400; 0,85 —для М600),
185
Рис. 8 5. Схемы двухбарабанных печей:
о — с соосным расположением барабанов; б — с расположе-
нием барабанов на разных уровнях; 1 — барабан предва-
рительной тепловой подготовки; 2 — пересыпная камера;
3 — барабан вспучивания
В связи с тем что хорошо вспучивающегося глинистого сырья
для производства керамзита сравнительно мало, при использова-
нии средне- и слабовспучивающегося сырья необходимо стремиться
к оптимизации режима термообработки.
В значительной мере этого можно достигнуть в кольцевых печах
(ЦНИИЭПсельстрой), где обжиг керамзита происходит в непод-
вижном монослое. Обжиговый агрегат с кольцевой печью включает
также слоевой подготовитель и холодильник.
Кольцевая печь (рис. 8.6) состоит из вращающегося пода (фу-
терованной металлической платформы), расположенного в непо-
движном кольцевом канале, выполненном из огнеупорного и теп-
лоизоляционного кирпича. Под опирается двумя концентрическими
рельсовыми путями, прикрепленными к несущему основанию, па
опорные катки, по которым он с помощью специального привода
медленно вращается.
Средний диаметр кольцевой печи 11,25... 20 м, ширина пода 2,4
иди 2,7 м, а длина его средней окружности 36... 70 м. В соответствии
с этим площадь пода печи может составлять 86... 161 м2. Горелки
расположены по внешней и внутренней сторонам канала (62 шт.)
в зоне обжига, имеющей длину около 85% окружности пода и че-
тыре участка регулирования температуры.
Гранулы, высушенные и подогретые до 200... 300°С в слоевом
подготовителе, поступают на разогретый под печи, где они вспу-
чиваются за 5 или 8 мин в зависимости от скорости вращения по-
да — 12 или 7,5 об/ч.
Быстрый нагрев гранул (350... 400°С в минуту) в неподвижном
монослое от температуры термоподготовки до температуры вспучи-
вания обеспечивает оптимальный технологический режим обжига —
термический удар, приемлемый для всех видов глинистого сырья.
В результате насыпная плотность керамзита на 25... 40% ниже,
186
6 7 1 У 7У 7/ 72 /У
Рис. 8.6. Обжиговый агрегат с кольцевой печью:
/ — кольцевая печь; 2 — вращающийся под; 3— горелка; 4 — газопровод; 5 — привод печи;
6 — аэрожелоб-холодильник; 7 — приемная течка; 8 — выгружатель; 9 — рециркуляционный
дымосос; 10 — концевой дымосос; 11 — слоевой подготовитель; 12 — газоход в сушильный
барабан; 13 — вентилятор высокого давления; 14 — дымоотборная шахта; 15 — воздушный
коллектор с отводом на горелки
чем при обжиге в однобарабанных вращающихся печах. Уменьше-
ние теплопотерь с отходящими газами, хорошая герметизация и
теплоизоляция канала кольцевой печи позволяют существенно сни-
зить удельный расход топлива при интенсификации процесса об-
жига керамзита.
Производительность кольцевой печи (м3/ч)
/7к<п=0,86 Д 0,014/г,
где А — общая площадь пода печи, м2; 0,014 — удельный съем ке-
рамзита наибольшей крупностью до 20 мм с 1 м2 площади пода;
п— скорость вращения пода, об/ч.
Еще один способ производства керамзита, предложенный и оп-
робуемый в последнее время на опытной установке Оргэнергостроя,
предусматривает обжиг глиняных гранул в вертикальной печи аэро-
фонтанного типа. Высушенные и подогретые до температуры 400°С
гранулы подаются в цилиндрическую часть печи и падают в сужа-
ющуюся книзу коническую часть, где подхватываются восходящим
187
потоком горячих газов, направляемых в горловину конуса из топки.
Восходящая струя увлекает гранулы вверх по центру печи до тех
пор, пока при расширении потока и соответствующем снижении его
скорости подъемная сила не станет меньше силы тяжести гранул.
Далее гранулы отбрасываются от центра к стенкам печи, падают
вниз, где снова подхватываются восходящим потоком. Вспученные
гранулы потоком газов выносятся из печи.
Температура топочных газов, направляемых в печь, составляет
1200 ...1250°С. При попадании в горячую газовую струю гранулы
испытывают эффект термоудара, способствующий вспучиванию.
Достигаемый в этой установке коэффициент вспучивания превыша-
ет получаемый во вращающейся печи, при этом объем продукции
увеличивается, а насыпная плотность керамзита снижается. Аэро-
фонтанный способ дает возможность получать хорошо вспученный
мелкофракционный керамзит. Особенностью данной технологии
является необходимость подачи в обжиговую печь строго одномер-
ных гранул.
Из зарубежного опыта известно, что для получения заполните-
лей типа керамзита из сырья (промышленных отходов), отличаю-
щегося особой чувствительностью к режиму обжига, используют
трехбарабанные вращающиеся печи или три-четыре последователь-
но располагаемые печи, в которых обеспечиваются не только опти-
мальные скорость и длительность нагрева на каждом этапе термо-
обработки, но и различная газовая среда.
Значение характера газовой среды в производстве керамзита
обусловлено происходящими при обжиге химическими реакциями.
В восстановительной среде оксид железа Fe2O3 переходит в закись
FeO, что является не только одним из источников газообразования,
но и важнейшим фактором перехода глины в пиропластическое
состояние Внутри гранул восстановительная среда обеспечивается
за счет присутствия органических примесей или добавок, но при
окислительной среде в печи (при большом избытке воздуха) орга-
нические примеси и добавки могут преждевременно выгореть. По-
этому окислительная газовая среда на стадии термоподготовки, как
правило, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения, соглас-
но которой целесообразно получать высокопрочный керамзитовый
гравий с невспученной плотной корочкой. Такая корочка толщиной
до 3 мм образуется при выгорании органических примесей в поверх-
ностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.
Однако, как правило, при производстве керамзита следует стре-
миться к повышению коэффициента вспучивания сырья, так как
невспучивающегося или маловспучивающегося глинистого сырья
для получения высокопрочного заполнителя имеется много, а хоро-
шо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличие плот-
ной корочки значительной толщины на керамзитовом гравии свиде-
тельствует о недоиспользовании способности сырья к вспучиванию
и уменьшении выхода продукции.
188
В восстановительной среде зоны вспучивания печи может про-
изойти оплавление поверхности гранул, поэтому газовая среда
здесь должна быть слабоокислительной. При этом во вспучивающих-
ся гранулах поддерживается восстановительная среда, обеспечива-
ющая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверх-
ность гранул не оплавляется.
Характер газовой среды косвенно, через оксидное или закисное
состояние железистых примесей, отражается на цвете керамзита.
Красновато-бурая поверхность гранул говорит об окислительной
среде (Fe2O3), темно-серая, почти черная окраска в изломе — о вос-
становительной (FeO).
От скорости охлаждения керамзита зависят его прочностные
свойства. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна
могут растрескиваться или же в них сохраняются остаточные на-
пряжения, которые могут проявиться в бетоне. С другой стороны, и
при слишком медленном охлаждении керамзита сразу после вспу-
чивания возможно снижение его качества из-за смятия размягчен-
ных гранул, а также в связи с окислительными процессами в ре-
зультате которых FeO переходит в Fe2O3, что сопровождается дес-
трукцией и снижением прочности.
Сразу после вспучивания желательно быстрое охлаждение ке-
рамзита до температуры 800... 900°С для закрепления структуры и
предотвращения окисления закисного железа. Затем рекомендуется
медленное охлаждение до температуры 600 ... 700°С в течение 20 мин
для обеспечения затвердевания стеклофазы без больших термиче-
ских напряжений, а также формирования в ней кристаллических
минералов, повышающих прочность керамзита. Далее возможно
сравнительно быстрое охлаждение керамзита в течение нескольких
минут.
Первый этап охлаждения керамзита осуществляется еще в пре-
делах вращающейся печи поступающим в нее воздухом. Затем
керамзит охлаждается воздухом в барабанных, слоевых холодиль-
никах, холодильниках-аэрожелобах (рис. 8.7 и 8.8).
Для сортировки (фракционирования) керамзитового гравия ис-
пользуют грохоты, преимущественно барабанные — цилиндрические
(рис. 8.9) или многогранные (бураты).
Внутризаводской транспорт керамзита — конвейерный (ленточ-
ные транспортеры), иногда пневматический (потоком воздуха по
трубам). При пневмотранспорте возможно повреждение поверхно-
сти гранул и их дробление. Поэтому этот удобный и во многих
отношениях эффективный вид транспорта керамзита не получил
широкого распространения.
Фракционированный керамзит поступает на склад готовой про-
дукции бункерного или силосного типа.
• 8.1.3. Технические требования. ГОСТ 9759—83 предусматривает
следующие фракции керамзитового гравия по крупности зерен:
5... 10, 10...20 и 20...40 мм. В каждой фракции допускается до
189
Рис. 8.7. Слоевой холодильник:
1 — корпус теплообменника; 2— наклонные решетки; 3 —поворот-
ный шибер; 4— разгружатель
10% более мелких и до 10% более крупных зерен по сравнению с
номинальными размерами. Из-за невысокой эффективности грохо-
чения материала в барабанных грохотах (см. гл. 5) трудно добить-
ся более тщательного разделения керамзита на фракции.
По насыпной плотности керамзитовый гравий подразделяется
на 8 марок: М250...600, причем к М250 относится керамзитовый
гравий с насыпной плотностью до 250 кг/м3, к М300 — до 300 кг/м3
и т. д. Насыпную плотность определяют по фракциям в мерных
сосудах (см. табл. 2.1). Чем крупнее фракция керамзитового гра-
вия, тем, как правило, меньше насыпная плотность, поскольку круп-
ные фракции содержат наиболее вспученные гранулы.
Рис. 8.8. Аэрожелоб-холоднльник:
1 — корпус полутрубчатый; 2 — перфорированное днище, 3 — дутьевой вентиля-
тор; 4 — течка разгрузочная
190
Рис. 8.9. Гравиесортировка:
/ — течка загрузочная; 2— люк аспирационный; 3— кожух; 4 — люк обслужива-
ния; 5—редуктор; 6—электродвигатель; 7 —рама; 8, Р —течки разгрузочные;
10 — пороги; 11 — сита барабанные
Для каждой марки по насыпной плотности стандарт устанавли-
вает требования к прочности керамзитового гравия при сдавлива-
нии в цилиндре (табл. 8.1). По заказам потребителей для приготов-
ления конструкционных легких бетонов стандарт допускает выпуск
керамзитового гравия также М700 и 800 с прочностью при сдавли-
вании в цилиндре соответственно не менее 3,3 и 4,5 МПа.
Как указывалось выше, испытание керамзитового гравия в ци-
линдре дает лишь условную относительную характеристику его
прочности, причем сильно заниженную. С. М. Ицкович впервые
указал на это в 1962 г. и установил, что действительная прочность
керамзита, определенная при испытании в бетоне, в 4...5 раз пре-
вышает стандартную характеристику. К такому же выводу на осно-
ве опытных данных пришли В. Г. Довжик, В. А. Дорф, М. 3. Вайн-
штейн и другие 'исследователи.
Стандартная методика (см. гл. 2) предусматривает свободную
засыпку керамзитового гравия в цилиндр и затем сдавливание его
с уменьшением первоначального объема на 20%. Под действием
нагрузки прежде всего происходит уплотнение гравия за счет неко-
торого смещения зерен и их более компактной укладки. Основы-
ваясь на опытных данных, можно полагать, что за счет более плот-
ной укладки керамзитового гравия достигается уменьшение объема
свободной засыпки в среднем на 7%. Следовательно, остальные
13% уменьшения объема приходятся на смятие зерен (рис. 8.10).
191
Рис. 8.10. Схема сдавливания
зерен керамзита при испыта-
нии
Если первоначальная высота зерна D, то после смятия она умень-
шается на 13%, т. е.
2/=0,13D, /=0,065£>.
С другой стороны, стрела шарового сегмента
f=(D-V D2-d2 )/2,
где d — диаметр круга смятия.
Приравняв два выражения f, получим d=0,49£). Площадь кон-
такта, образовавшегося в результате смятия смежных зерен,
nz72/4=0,19D2.
Один такой контакт приходится на площадь элементарной ячей-
ки, которая при компактной укладке шаровидных зерен (рис. 8.11)
равна 0,865 D2. Площадь элементарной ячейки больше площади
контакта смятия в 0,865:0,19=4,5 раза. Во столько же раз вся
площадь стандартного цилиндра (177 см2) больше суммарной пло-
щади контактов, через которые керамзитовый гравий в действитель-
ности воспринимает сжимающую нагрузку. Последняя составляет
около 40 см2. Поэтому, разделив, согласно стандарту, сжимающую
нагрузку на площадь 177 см2, мы занизим предел прочности керам-
зита в среднем примерно в 4,5 раза.
Из этих соображений в ГОСТ 9757—83 «Заполнители пористые
неорганические для легких бетонов. Общие технические условия»
предусмотрена маркировка пористых заполнителей не только по
насыпной плотности, но и по прочности, причем для керамзита и
подобного ему пористого гравия числа, определяющие марку по
прочности, в среднем в 4,5 раза превышают показатели прочности,
полученные при испытании сдавливанием в цилиндре.
192
Таблица 8.1. Требования к прочности керамзитового гравия
Марка по насыпной плотности Прочность прн сдавливании в цилиндре. МПа, не менее, по категориям качества Марка по насыпной плотности Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа. не менее, по категориям качества
высшая первая высшая первая
250 0,8 0,6 450 2,1 1,5
300 1,0 0,8 500 — 1,8
350 1,5 1,0 550 — 2,1
400 1,8 1,2 600 — 2,5
Маркировка по прочности позволяет сразу наметить область
рационального применения того или иного керамзита в бетонах
соответствующих марок. Более точные данные получают при испы-
тании заполнителя в бетоне (гл. 2).
Для быстрого определения прочности отдельных зерен керамзи-
тового гравия в СибЗНИИЭП разработан метод испытания их гид-
ростатическим давлением в жидкости (масле), в НИИКерамзите—•
аналогичный метод объемного сжатия гидропластмассой.
Для ориентировочной оценки прочности керамзита можно вос-
пользоваться также расчетными формулами (2.9), (2.10), устанав-
ливающими связь между пределом прочности и плотностью матери-
ала. Для определения расчетной прочности (МПа) керамзита сред-
него качества С. М. Ицкович предложил формулу
^Расч~15рз, (8.1)
где р5 — плотность зерен керамзитового гравия, г/см3.
Например, керамзитовый гравий М 400 (насыпная плотность
351 ...400 кг/м3) при пустотности 1/пуСт=40% имеет плотность зерен
р3 0,58 — 0,67 г/см3. Согласно формуле (8.1), предел прочности
такого керамзита составит приблизительно 5...6,7 МПа. Аналогич-
но для М 600 (насыпная плотность 551... 600 кг/м3) плотность зе-
рен 0,92... 1 г/см3, предел прочности 12,5... 15 МПа; для М 800 при
пустотности 40% плотность зерен 1,17... 1,33 г/см3, расчетная проч-
ность 20... 27 МПа, а при пустотности 45% плотность зерен — до
1,45 г/см3, расчетная прочность — до 32 МПа.
В зависимости от особенностей сырья и технологии производст-
ва действительная прочность керамзита может отличаться от рас-
четной, но предварительная ориентировочная ее оценка все же дает
представление о возможности и целесообразности использования
данного керамзита для получения бетона требуемых классов по
прочности. Приведенные числовые значения расчетной прочности
керамзитового гравия показывают, что этот пористый заполнитель
может быть достаточно прочным и пригодным для высокопрочных
7—462
193
легких конструкционных бетонов, несмотря на низкие показатели
прочности при стандартном испытании.
Зерна керамзитового гравия могут иметь шарообразную или
вытянутую форму, что зависит от формы сырцовых гранул. По
стандарту среднее значение коэффициента формы [по формуле
(2.7)] должно быть не более 1,5, зерна с коэффициентом формы
более 2,5 в керамзитовом гравии высшей категории качества не
допускаются, а в керамзитовом гравии первой категории качества
таких зерен допускается не более 15% по массе.
Содержание расколотых зерен в керамзитовом гравии допуска-
ется не более 10... 15% по массе в зависимости от категории ка-
чества.
Керамзитовый гравий должен выдерживать не менее 15 циклов
попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой
состоянии с потерей массы данной фракции не более 8%.
При испытании кипячением потеря массы не должна превышать
5%. Таким испытанием выявляется наличие опасных известковых
включений — «дутиков».
Ограничивается водопоглощение (не более 20 ...30% по массе за
1 ч в зависимости от марки), содержание водорастворимых сернис-
тых и сернокислых соединений. Эти и другие требования стандарта
обеспечивают стойкость и долговечность керамзита, а также легких
бетонов на его основе.
• 8.1.4. Однородность. Исследование керамзитового гравия на од-
ном из заводов показало, что в пределах одной партии продукции
насыпная плотность изменялась от 330 до 405 кг/м3 при средней
367 кг/м3. Коэффициент вариации насыпной плотности составил
4,7%, а коэффициент вариации прочности при сдавливании в ци-
линдре— 11,5%. Контроль продукции того же предприятия в тече-
ние 40 сут работы дал следующие результаты; средняя насыпная
плотность — 339 кг/м3, по отдельным пробам — 270 ...470 кг/м3, ко-
эффициент вариации насыпной плотности—11,6%, коэффициент
вариации прочности — 28%.
Эти данные можно сравнить с положением ГОСТ 9757—83: ко-
эффициенты вариации насыпной плотности и прочности пористых
заполнителей высшей категории качества по результатам система-
тических испытаний за 12 мес работы не должны превышать соот-
ветственно 5 и 15%. Сравнение явно не в пользу обследованного
предприятия: допускаемые стандартом колебания показателей ка-
чества продукции в течение года здесь наблюдаются в течение дня
(правда, указанные требования стандарта относятся к керамзиту
высшей категории качества, а к обычному керамзиту требования
по однородности пока не предъявляются).
По данным С. Ф. Бугрима, В. Л. Пржецлавского, В. П. Петрова
и других исследователей, изучавших качество керамзита на многих
предприятиях, керамзит везде неоднороден. Очевидно, это пред-
определено самой технологией получения керамзитового гравия,
194
когда каждая гранула вспучивается по-разному при неоднородно-
сти сырья и непостоянстве температурных условий в печи. В резуль-
тате керамзитовый гравий— это совокупность неодинаково вспу-
ченных гранул различной плотности и прочности.
Применяя такой неоднородный заполнитель, невозможно полу-
чить однородный по качеству бетон. Чтобы конструкции были доста-
точно надежны по прочности, надо учесть минимальную статисти-
чески вероятную прочность заполнителя, а при расчете массы и теп-
лопроводности— принять возможную максимальную его плотность.
Если заполнитель неоднороден, то расчетные характеристики бето-
на и эффективность его применения в конструкциях тем самым за-
нижаются.
Для повышения однородности керамзита есть два пути:
• первый путь состоит в совершенствовании технологии производ-
ства, усреднении сырья, более тщательной его переработке и грану-
ляции, стабилизации режимов термоподготовки, обжига и охлаж-
дения, улучшении фракционирования. В НИИкерамзит проведены
исследования основных факторов, влияющих на однородность ке-
рамзитового гравия на всех этапах его производства, и разработаны
соответствующие рекомендации;
• второй путь—разделение готовой продукции на фракции не
только по крупности, но и по плотности зерен.
• 8.1.5. Обогащение. Применительно к керамзитовому гравию тер-
мин «обогащение» означает разделение его на классы по плотности
зерен. Более легкий будет богаче хорошо вспученными зернами,
более тяжелый — богаче менее вспученными, зато более прочными
зернами.
Для разделения (сепарации) керамзитового гравия могут быть
использованы методы, описанные в гл. 6.
В ВНИИСтром В. Л. Пржецлавским разработана технология
сепарации керамзитового гравия (и других подобных материалов)
в кипящем слое. Кипящий слой (псевдоожиженная среда) требуе-
мой плотности создается продуванием воздуха снизу вверх через
слой мелкозернистого материала — утяжелителя. Плотность псевдо-
ожиженной разделительной среды назначается в зависимости от
плотности зерен обогащаемого керамзита. Например, если плот-
ность зерен керамзита составляет 0,5... 0,7 г/см3, то в среде с плот-
ностью 0,6 г/см3 зерна с плотностью 0,5... 0,6 г/см3 всплывают, а с
большей плотностью тонут, т. е. керамзит будет разделен на два
более однородных класса.
Псевдоожиженный слой плотностью 0,6 г/см3 может быть полу-
чен при использовании в качестве утяжелителя молотого керамзита
фракции 0,315...0,63 мм. Молотый кирпич такой же фракции дает
плотность слоя около 0,8 г/см3, кварцевый песок фракции 0,14...
0,315 мм — около 1,2 г/см3 и т. д.
А. А. Эльконюк и другие (НИИкерамзит) установили возмож-
ность сепарации керамзитового гравия в кипящем слое без проме-
7* 195
жуточпого утяжелителя. В этом случае утяжелителем служит сам
керамзитовый гравий. Он непрерывно поступает в классификаци-
онную камеру сепаратора, через решетчатое дно которой вентиля-
тором подается поток воздуха (рис. 8.12). При определенной
скорости подачи воздуха создается режим псевдоожижения, и
керамзитовый гравий расслаивается: сравнительно тяжелые зерна
опускаются вниз, а легкие сосредоточиваются в верхней части слоя,
откуда и отбираются отдельно.
Если сравнить два описанных выше способа сепарации — с про-
межуточным утяжелителем и без него, то в первом случае эффек-
тивность сепарации абсолютная (в среде определенной плотности
легкое зерно всплывает, а тяжелое потонет), а во втором она зави-
сит от крупности, зернового состава, формы зерен и других факто-
ров, не связанных непосредственно с плотностью. Поэтому при раз-
делении без промежуточного утяжелителя в легком классе с
некоторой вероятностью могут оказаться и тяжелые зерна, в тяже-
лом классе — легкие. Все же, по данным А. А. Эльконюка, коэффи-
циенты вариации насыпной плотности сепарированного легкого и
тяжелого керамзитов в 2 раза меньше коэффициента вариации
исходного. При этом без промежуточного утяжелителя упрощаются
технология сепарации и аппаратурное оформление процесса.
Считается, что керамзитовый гравий и другие пористые запол-
нители подлежат обогащению только в условиях сухой сепарации,
что их нельзя увлажнять, поскольку, например, по ГОСТ 9759—83
влажность поставляемого керамзитового гравия должна быть не
более 2%. Однако это ограничение касается поставляемого гравия,
а при использовании его можно увлажнять, как того требует техно-
логия. В технологии легких бетонов нередко рекомендуется предва-
рительно увлажнять пористые заполнители, чтобы уменьшить по-
глощение ими воды из бетонной смеси.
В связи с этим, по мнению С. М. Ицковича, в ряде случаев
целесообразно проводить сепарацию керамзитового гравия в воде.
Предложенный сепаратор представляет собой ванну с водой, снаб-
женную двумя скребковыми транспортерами, один из которых
убирает со дня ванны тонущий керамзит, другой — всплывающий.
Керамзит, подаваемый на сепарацию, находится в воде не более 5 с.
Вода — подходящая среда для разделения керамзита по плотно-
сти зерен на два класса. Для иллюстрации приведем следующие
данные. Исходный керамзитовый гравий имел насыпную плотность
435 кг/м3. Из него в результате сепарации получен более легкий
с насыпной плотностью 371 кг/м3 (выход более 65% по массе, или
76% по объему) и более тяжелый — 636 кг/м3 (35% по массе, 24%
по объему). При испытании в бетоне исходный керамзит имел пре-
дел прочности 6 МПа, всплывший в воде — тоже около 6 МПа, а
потонувший — 16 МПа. На всплывшем керамзите получен более
эффективный теплоизоляционный бетон, на потонувшем — конст-
рукционный с экономией цемента.
196
Рис. 8.12. Классификатор керамзитового гравия:
1 — течка загрузочная; 2 — кожух аспирационный; 3 — камера псевдоожижения; 4, 5 — за-
движки; 6 — камера классификации; 7 — течка разгрузочная для тяжелой фракции; 8 — то
же, легкой фракции
Таким образом, для повышения однородности керамзита есть
два пути:
• первый состоит в совершенствовании технологии производства,
усреднении сырья и т. д.;
• второй — в разделении готовой продукции по плотности зерен.
Перспективы первого пути ограничены. Улучшение переработки
сырья, оптимизация режимов термообработки и другие подобные
мероприятия, конечно, повысят качество керамзита, но однород-
ность его тем не менее останется невысокой: каждая гранула вспу-
чивается по-своему, добиться идентичности гранул невозможно, и
условия их вспучивания в печи не могут быть одинаковыми. При
этом осуществление мероприятий по более тщательной переработке
сырья, оптимизации режимов требует дополнительных затрат и,
возможно, уменьшит выход продукции.
Поэтому предлагается другой путь: в производстве керамзита на
первом этапе следует исходить из одного критерия — давать боль-
ше продукции при минимальных затратах, а затем уже путем сепа-
рации готового керамзитового гравия по плотности зерен получать
кондиционную продукцию разных классов по свойствам и назна-
чению. Это реальный путь повышения качества керамзита, сочета-
ющийся с увеличением объема его производства и снижением себе-
стоимости.
197
Рис. 8.13. Схема двухзонной печи кипящего слоя:
/ — зона предварительного подогрева; 2 — зона обжига; 3 — холо-
дильник кипящего слоя; 4 — футерованный циклон; 5 — нагнета-
тель воздуха; б — выгрузочные клапанные затворы; 7 — подача га-
за; 8 — секторные затворы на наружных перетоках; 9— циклон
зоны термоподготовки
• 8.1.6. Керамзитовый песок. Для изготовления .керамзитобетонных
изделий нужен не только керамзитовый гравий, но и мелкий порис-
тый заполнитель — керамзитовый песок.
Производство керамзитового песка по обычной технологии но
вращающейся печи неэффективно. Некоторая примесь песчаной
фракции получается при производстве керамзитового гравия за счет
разрушения частиц в процессе термообработки, однако он сравни-
тельно тяжелый, так как мелкие частицы глинистого сырья практи-
чески не вспучиваются (резервы газообразования исчерпываются
раньше, чем глина переходит в пиропластическое состояние). Кроме
того, в зоне высоких температур мелкие гранулы разогреваются
сильнее крупных, при этом возможно их оплавление и налипание
на зерна гравия.
На многих предприятиях керамзитовый песок получают дробле-
нием керамзитового гравия, преимущественно в валковых дробил-
ках. Себестимость дробленого керамзитового песка высока не толь-
ко в связи с дополнительными затратами на дробление, но главным
образом потому, что выход песка всегда меньше объема дробимого
гравия. Коэффициент выхода песка составляет 0,4 ...0,7, т. е. в сред-
нем из 1 м3 гравия получают только около 0,5 м3 дробленого
керамзитового песка. При этом почти вдвое возрастает его насып-
ная плотность.
В настоящее время при получении керамзитового песка лучшей
считают технологию его обжига в кипящем слое. В вертикальную
198
печь загружают глиняную крошку крупностью до 3 или 5 мм, по-
лучаемую дроблением подсушенной глины или специально приго-
товленных по пластическому способу и затем высушенных гранул.
Печь (рис. 8.13) имеет две зоны: обжига и подогрева, разделенные
между собой сплошной перегородкой. Через решетчатый (порис-
тый) под печи снизу под давлением подают воздух и газообразное
топливо. При-определенной скорости подачи газов слой глиняной
крошки разрыхляется, приходит в псевдоожиженное состояние, а
при ее увеличении как бы кипит. Газообразное топливо сгорает
непосредственно в кипящем слое. Благодаря интенсификации тепло-
обмена в кипящем слое происходит быстрый и равномерный нагрев
материала. Частицы глины обжигаются и вспучиваются примерно
за 1,5 мин. Перед подачей в зону обжига глиняная крошка подо-
гревается в кипящем слое зоны термоподготовки примерно до
300°С, а готовый песок после обжига охлаждается в кипящем слое
холодильного устройства. Часть мелких фракций песка с отходящи-
ми газами из зоны обжига поступает в футерованный циклон и
осаждается, а очищенные газы направляются в зону предваритель-
ного нагрева печи.
Принимаемая для расчетов. паспортная производительность
печи кипящего слоя СМС-139—6,7 м3/ч (коэффициент использова-
ния Аи=0,85). Насыпная плотность получаемого керамзитового
песка — 500... 700 кг/м3. К зерновому составу керамзитового песка
предъявляются требования, аналогичные требованиям к природно-
му песку, но крупных фракций в нем должно быть больше.
Проблему получения керамзитового песка, достаточно эффек-
тивного по свойствам и себестоимости, нельзя считать полностью
решенной. Часто при получении керамзитобетона в качестве мелко-
го заполнителя применяют вспученный перлит, а также природный
песок.
• 8.1.7. Технологические схемы производства. Выпуск керамзита —
наиболее широко применяемого искусственного пористого заполни-
теля для легких бетонов осуществляют более 300 предприятий об-
щей мощностью свыше 40 млн. м3 в год.
Оптимальные мощности заводов и цехов по производству керам-
зита, согласно нормам технологического проектирования ОНТП
11—86, составляют соответственно 200 ...400 и 100... 200 тыс. м3 в
год. При этом обычно предусматривают выпуск продукции со сле-
дующим соотношением по фракциям: 0...5 мм— 10%; 5... 10 мм —
40%; 10...20 мм —40%; 20 ...40 мм —10%.
Предварительными испытаниями сырья устанавливают способ
производства, состав шихты, технологическую схему производства
и ожидаемое качество керамзита.
Подавляющее большинство предприятий производят керамзит
по пластическому способу с применением технологических схем,
отличающихся вариантами переработки глинистого сырья и типом
обжиговых печей (агрегатов). Сухой способ производства применя-
199
Рис. 8.14. Технологическая схема производства керамзита с подготовкой сырцовых
гранул по пластическому способу и обжигом в агрегате СМС-197:
/—склад глины, оборудованный мостовым электрическим краном с грейфером; 2— бункер
приемный; 3 — глинорыхлитель; 4 — питатель ящичный; 5 — железоотделитель подвесной;
6 — конвейер ленточный; 7 — вальцы дырчатые (или камиевыделительные); 8— вальцы гру-
бого помола (камиевыделительные); 9— пресс ленточный шнековый с камневыделительной
приставкой (илн смеситель с фильтрующей решеткой); 10— вальцы тонкого помола; 11—
пресс ленточный шнековый с гранулирующей приставкой; 12 — барабан сушильный для под-
сушки гранул; 13 — барабан сушильный для подсушки глины; 14 — элеватор; 15 — подгото-
витель слоевой; 16 — печь вращающаяся 2,8X20; П — холодильник слоевой; 18 — дробя-
щее устройство (для спеков)
ют, главным образом, для получения разновидности керамзита —
шунгизита (см. §8.4).
В качестве примера на рис. 8.14 показана принципиальная тех-
нологическая схема типового цеха по производству керамзитового
гравия мощностью 200 тыс. м3 в год, запроектированного институ-
том Союзгипростром. Цех состоит из трех отделений: подготови-
тельно-формовочного, печного и склада готовой продукции. Сырье
автосамосвалами из карьера или конуса, расположенного вблизи
производства, доставляют на склад вместимостью 3500 м3 (восьми-
суточный запас). Мостовым грейферным краном глину равномерно
распределяют по площади склада и подают в производство.
В подготовительно-формовочном отделении установлены две
линии переработки сырья и формования сырцовых гранул, одна из
которых показана на рис. 8.14, и линия подсушки глины с повы-
шенной карьерной влажностью. В теплое время года глину можно
подавать автосамосвалами непосредственно в приемный бункер
200
глинорыхлителя линии подсушки сырья. Разрыхленную глину по-
вышенной влажности направляют сначала в камневыделительные
вальцы, затем — в сушильный барабан. Подсушенную глину транс-
портируют ленточным конвейером в приемный бункер линии пере-
работки сырья, где ее измельчают в вальцах грубого помола, пере-
мешивают в глиномешалке, в которую при необходимости подают
добавку, например водный раствор ЛСТ, затем дополнительно
измельчают в вальцах тонкого помола с зазором между валками
1 ... 1,5 мм. Подготовленную массу транспортируют в ящичный пита-
тель, установленный над формующим агрегатом, для его беспере-
бойного питания.
Формование сырцовых гранул осуществляют на ленточном
шнековом прессе с гранулирующей приставкой. В качестве форму-
ющего агрегата могут быть использованы и дырчатые формующие
вальцы, если перерабатывают суглинки с числом пластичности
менее 15 или сырье, сильно засоренное крупными включени-
ями.
Сформованные гранулы окатываются и подсушиваются в су-
шильном барабане до влажности не более 19%, а затем их транс-
портируют в печное отделение для обжига в агрегате СМС-197.
В слоевом подготовителе (СМС-198) гранулы полностью высу-
шиваются и поступают во вращающуюся печь (СМС-199) подогре-
тыми до 200°С, где происходит их дальнейший нагрев и вспучивание
при температуре 1150... 1250°С. Вспученные гранулы сначала
несколько охлаждаются в печи (примерно до 900... 1000°С), а затем
в слоевом холодильнике (СМ-1250) до 80°С. Предельная скорость
охлаждения гравия крупностью до 20 мм не должна превышать
100°С/мин.
Охлажденный керамзит транспортируют ленточными конвейера-
ми на склад готовой продукции, где элеватором его подают на
рассбв в гравиесортировку. Полученные фракции распределяют по
силосным банкам ленточным конвейером. Для фракций 5... 10 и
10...20 мм предусмотрено по три силоса, для фракций 0...5 и 20...
40 мм — по одному силосу. Вместимость силосных банок рассчита-
на на четырехсуточный запас готовой продукции.
На складе предусмотрен узел дробления крупных фракций
(свыше 20 мм) с последующим рассевом в гравиесортировке и рас-
пределением по силосным банкам.
Отгрузка готовой продукции предусмотрена на автомобильный
и железнодорожный транспорт.
^Производство керамзитового песка в печах кипящего слоя целе-
сообразно организовывать при заводах и цехах керамзитового гра-
вия, используя в качестве сырья гранулы-полуфабрикаты от
сушильного барабана.
Технологическая схема производства керамзитового песка цеха
мощностью 50 тыс. м3 в год (проект Союзгипрострома) приведена
на рис. 8.15. Цех предусмотрен для размещения на территории за-
201
Рис. 8.15. Технологическая схема производства керамзитового песка:
/ — молотковая мельница; 2 — осадительный циклон; 3 —элеватор; 4 — бункер; 5 — печь ки-
пящего слоя СМС-139; 6—вентиляторы; 1 — батарея циклонов; в — электрофильтр; Р —
холодильник; - 10 — футерованный циклон; 11—склад готовой продукции; /2 —рукавный
фильтр
вода керамзитового гравия. Режим работы — круглогодовой, в три
смены.
Технологический процесс производства складывается следую-
щим образом. Подсушенные гранулы из подготовительно-формовоч-
ного отделения завода подают в бункер запаса сырья (примерно на
2 ч) для их последующего измельчения и подсушки в молотковой
мельнице. Глиняная крошка размером менее 5 мм (влажность
8... 12%) отделяется в осадительном циклоне от теплоносителя и
направляется в расходный бункер двухзонной печи кипящего слоя.
Температура в зоне термоподготовки 200... 400°С, в зоне обжига —
1000... 1100°С. Из зоны обжига большая часть керамзитового песка
(примерно 70%) поступает в холодильник кипящего слоя, темпера-
тура в котором находится в пределах 120... 180°С. Другая часть,
состоящая из пылевидных и мелких частиц (около 30%), выносится
в футерованный циклон. Керамзитовый песок из холодильника и
циклона поступает в систему пневмотранспорта и далее на склад
готовой продукции.
Предусмотрены также пневмотранспортные системы для воз-
врата уловленных уносов в зону обжига печи и система необходи-
мой газоочистки.
202
Склад готовой продукции состоит из двух силосов, которые
могут загружаться керамзитовым песком одновременно или пооче-
редно. Выгрузка песка из силосов предусмотрена в автотранспорт
или в железнодорожные вагоны.
• 8.1.8. Применение. Наиболее широкое применение керамзитобе-
тон находит в качестве стенового материала. В ряде районов стра-
ны стеновые -нанели из керамзитобетона стали основой массового
индустриального строительства. Особенно эффективно применение
для стеновых панелей хорошо вспученного легкого керамзитового
гравия М300, 400, до 500 (по насыпной плотности).
Плотность конструкционно-теплоизоляционного керамзитобето-
на для однослойных стеновых панелей, как правило, составляет
900 ... 1100 кг/м3, предел прочности при сжатии — 5... 7,5 МПа.
Такой бетон в конструкции выполняет одновременно несущую и
теплоизоляционную функции. В двух- или трехслойных стеновых
панелях требуемую несущую способность может обеспечить слой
(или два слоя) конструкционного керамзитобетона, а теплозащит-
ную— слой крупнопористого теплоизоляционного керамзитобетона
плотностью 500 ...600 кг/м3.
Исследования, проведенные в Белорусском политехническом ин-
ституте (С. М. Ицкович и др.), Алма-Атинском НИИстромпроекте
(М. 3. Вайнштейн, В. П. Грицай и др.), УралНИИстромпроекте
(Г. В. Геммерлинг, А. Н. Чернов и др.), показали, что переход от
однослойной конструкции панелей к двух- или трехслойиой с разде-
лением несущей и теплозащитной функций стен и возложением их
на соответствующие слои конструкционного и теплоизоляционного
керамзитобетона повышает качество и надежность панелей, снижа-
ет их материалоемкость.
Теплоизоляционный крупнопористый керамзитобетон — самый
легкий бетон, который можно получить на данном заполнителе.
Его плотность при минимальном расходе цемента лишь немного
больше насыпной плотности керамзитового гравия.
На керамзите М700, 800 получают конструкционные легкие
бетоны с пределом прочности при сжатии 20, 30, 40 МПа, использу-
емые для производства панелей перекрытий и покрытий, в мосто-
строении, где особенно важно снизить массу конструкций.
8.2. АГЛОПОРИТ
Вспучивающееся глинистое сырье, пригодное для производства
керамзита, не часто встречается. Более распространены малоплас-
тичные, тощие, запесоченные глинистые породы, суглинки, которые
при обжиге не вспучиваются. Эти породы можно использовать для
получения другого искусственного пористого заполнителя — агло-
порита.
• 8.2.1. Сырье. Основным сырьем для производства аглопорита на
действующих предприятиях являются глинистые породы. Пригод-
203
ные для агломерации глинистые породы (суглинки, супеси, лёсс
и т. д.) имеются почти повсеместно, поэтому производство аглопо-
рита из местного сырья можно организовать в различных районах,
где требуется этот строительный материал. .....
Впервые промышленное производство аглопорита из глинисто- •
го сырья было организовано в 1958 г. в Минске, где и в настоящее;
время имеется наиболее крупный в СССР цех по выпуску аглопо-
рита. Технология разработана в Минском НИИСМ.
Однако глинистыми породами сырьевая база производства
аглопорита не исчерпывается. Очень широко в качестве сырья
могут быть использованы различные отходы промышленности, осо-
бенно топливосодержащие. На основе технологических исследова-
ний б. ВНИИСтрома, Минского НИИСМ, других институтов и
организаций было организовано производство аглопорита из топ-
ливных шлаков, зол, отходов добычи сланцев и угля. Использова-
ние таких отходов выгодно и перспективно. Топлива, содержащего-
ся в них, как правило, достаточно для ведения процесса агломера-
ции. Важно только усреднить сырье по содержанию топлива и за-
тем, если его не хватает, добавить при подготовке шихты, а если
содержится больше, чем требуется для процесса агломерации (что
более вероятно), добавить к топливосодержащим отходам гли-
нистое сырье.
По данным ВНИИСтрома и Института горючих ископаемых,
первоочередным резервом для расширения сырьевой базы произ-
водства аглопорита являются отходы углеобогащения, общий выход
которых составляет по стране около 80 млн. т в год. Угля в них
содержится в среднем до 20%. За счет использования этого топлива
себестоимость аглопорита можно снизить примерно на 30%. В
Польше, где самая высокая в мире степень использования углеотхо-
дов, находят применение 17% отходов угледобычи и более 95%
отходов углеобогащения.
• 8.2.2. Основы технологии. Аглопорит получают спеканием (агло-
мерацией) сырья. Этот способ широко применяют в металлургиче-
ской промышленности для агломерации руд. Сущность процесса
состоит в следующем.
Из сырья с добавкой топлива (угля) готовят рыхлую шихту и
укладывают ее на колосниковую решетку. Под решеткой в вакуум-
камере отсосом воздуха вентилятором (дымососом) создают раз-
режение, благодаря которому происходит просос воздуха через
шихту. Сверху шихту поджигают. За счет горения угля в ней созда-
ется высокая температура (до 1400... 1500°С). При этом шихта спе-
кается в пористую остеклованную массу. Процесс спекания осу-
ществляется сравнительно быстро. Горячие газы, отсасываемые
вниз, подогревают нижележащие слои шихты, и зона горения посте-
пенно передвигается к колосниковой решетке. Верхние спекшиеся
слои в это время несколько охлаждаются просасываемым воздухом.
Когда зона горения топлива доходит до колосниковой решетки и
204
Рис. 816. Схема агромерациоиной машины:
1—-загрузка шихты; 2— зажигательный горн; 3 — колосниковая решетка; 4—«
слой спекаемой шихты; 5 — зона горения топлива; 6 — спекшийся корж; 7 —
отсос газов; в — вакуум-камера
процесс агломерации завершается, получают спекшийся аглопори-
товый корж, который дробят на щебень и песок.
Производительность агломерационной машины зависит от ско-
рости спекания сырья
D = ft/T,
где h — высота слоя спекаемой шихты, мм; т — продолжительность
спекания, т. е. время, необходимое для перемещения зоны горения
от поверхности слоя до колосниковой решетки, мин.
Для различных видов сырья и составов шихты вертикальная
скорость спекания составляет 5... 10 мм/мин и более. Например,
слой шихты 200 мм спекается за 20 ...40 мин.
В промышленных условиях при производстве аглопорита из гли-
нистых пород шихту готовят следующим образом. Глинистое сырье,
дробленный каменный уголь (крупность не более 5 мм), а также
добавки (о которых будет сказано ниже) смешивают в определен-
ной пропорции. Массовая доля угля составляет, как правило, 7...
12%. Если глинистое сырье сухое, то в глиномешалку подается
вода. Перемешанная шихта должна иметь рыхлую комковатую
структуру. В специальных машинах — грануляторах (например, в
барабанном грануляторе, работающем по принципу окатывания
комочков во вращающемся барабане) шихта гранулируется.
Подготовленная шихта спекается на агломерационной машине
(рис. 8.16), которая представляет собой непрерывно движущийся
конвейер из тележек-палет, имеющих в основании колосниковую
решетку из жаропрочной стали и борта с обеих сторон. Верхняя
ветвь конвейера движется по рельсам над вакуум-камерами.
Шихта загружается на колосниковую решетку слоем 200 ...
300 мм и зажигается, проходя под горном, где за счет горения
подаваемого туда жидкого или газообразного топлива создается
температура примерно 1000° С. Далее, продвигаясь над вакуум-ка-
мерами, шихта благодаря прососу воздуха спекается. С машины
сходит спекшийся корж.
205
Корж, как правило, неоднороден: внутри спекание полное, корж
в изломе темного цвета (восстановительная среда определяет пере-
ход оксидов железа в закись, и это способствует лучшему спека-
нию), а на поверхности (избыток воздуха, окислительная среда,
ниже температура обжига) образуется как называемый недожог
буро-красноватого цвета с пониженными прочностью и стойкостью.
Поэтому первой операцией после спекания шихты на агломераци-
онной решетке является отделение недожога. Корж разламывается
на куски специальным устройством — коржеломателем (вал с редко
насаженными билами), куски падают на решетку, слабоспекшиеся
частицы при этом осыпаются и возвращаются в технологический
процесс как добавка к сырью, улучшающая газопроницаемость и
спекание шихты.
В качестве добавок, способствующих повышению скорости спе-
кания глинистого сырья и, следовательно, повышению производи-
тельности агломерационных машин, а также улучшению качества
аглопорита, используют древесные опилки, лигнин (отход гидроли-
за древесины), золу и другие отходы промышленности.
После отделения недожога (возврата) аглопорит охлаждают до
температуры 80... 120°С, дробят и сортируют на щебень и песок.
Принципиальная технологическая схема производства аглопори-
тового щебня и песка приведена на рис. 8.17. Помимо показанного
на схеме шахтного холодильника для охлаждения аглопорита при-
меняют ленточные (металлический транспортер с перфорированным
дном), чашевые (кольцевой бункер с двумя жалюзийными цилинд-
рическими стенками) и барабанные холодильники.
При использовании в качестве основного сырья отходов углеобо-
гащения в технологическую схему вносятся изменения, касающиеся
подготовки исходных материалов. Отходы углеобогащения измель-
чают дроблением в две стадии с промежуточным грохочением, по-
лучая зерна размером не более 2,5 мм. Глину добавляют в виде
сухого компонента (крупность «до 3 мм) или глиняного шликера.
Последующие технологические операции аналогичны приведенным
на схеме.
Для производства аглопорита выпускается комплект основного
технологического оборудования с агломерационными машинами
СМС-117 и СМ-961 (длина 40 м, ширина 1,5 м).
Производительность агломерационной машины (т/ч)
П =0,06пАа5рн^пА’в,
где v — вертикальная скорость спекания, мм/мин: Ьг— активная
длина агломерационной машины, м, равная общей длине машины
L за вычетом длины зон сушки Lc (обычно Lc = 0,05-=-0,lL) и
охлаждения Lo (при наличии холодильника Lo=0,2L, при отсутст-
вии холодильника и производстве аглопоритового гравия Lo=0,4L);
В— активная ширина агломерационной машины, м; ри — насыпная
плотность сырцовых гранул, рн=1 — 1,1 т/м3; kn — коэффициент вы-
206
Рис. 8.17. Технологическая схема производства аглопоритового щебия и
песка:
1 — экскаватор; 2 — автотранспорт; 3 — ящичный подаватель; 4 — валковая дро-
билка; 5 — вибросито; 6 — ленточный питатель; 7 — сборный леиточиыЙ транспор-
тер; 8 — камневыделительиые вальцы; 9—двухвальная глиномешалка; 10 — бара-
банный гранулятор; 11— укладчик шихты; 12 — зажигательный горн; 13— агло-
мерационная машина; 14— коржеломатель; 15— шахтный холодильник; 16 — вал-
ково-зубчатая дробилка; 17 — гравиесортировочная машина; 18 — склад готовой
продукции; N — частость
хода аглопорита, kn=0,75... 0,90; kB— коэффициент, учитывающий
возврат в шихту недожога; при отсутствии подачи возврата в ших-
ту, kB= 1.
Годовая мощность агломерационной машины (м3/г)
Мвт=ТП1ги1$и,
где Т — годовой фонд рабочего времени, ч; П—расчетная произво-
дительность агломерационной машины, т/ч; kn — коэффициент ис-
пользования годового фонда рабочего времени, kB=0,82... 0,9; рн —
насыпная плотность аглопоритового щебня (гравия), т/м3.
• 8.2.3. Технические требования. Требования ГОСТ 11991—83 в от-
ношении фракционирования аглопорита, его зернового состава, а
также принцип деления на марки по насыпной плотности аналогич-
ны описанным выше для керамзитового гравия.
Требуемые пределы прочности аглопоритового щебня (табл.
8.2), определяемые при сдавливании в цилиндре, значительно мень-
ше, чем для керамзитового гравия (см. табл. 8.1). Однако нельзя
207
считать аглопорит менее прочным заполнителем, чем керамзит,
поскольку дело здесь не только в прочности, но и в форме зерен.
Как уже указывалось выше, при испытании в цилиндре получаются
не абсолютные, а относительные, значительно заниженные показа-
тели прочности, причем степень занижения зависит от формы зерен
испытуемого заполнителя. При равной прочности зерен для сдавли-
вания рыхло насыпанного остроугольного аглопоритового щебня в
стальном цилиндре требуется меньшая нагрузка, чем для керамзи-
тового гравия. Как установлено С. М. Ицковичем, действительная
прочность аглопорита в бетоне примерно в 25 ...30 раз превышает
показатели прочности при стандартном испытании в цилиндре, что
и учитывается в ГОСТ 9757—83 при установлении марки аглопори-
тового щебня по прочности исходя из результатов его стандартного
испытания.
Прочность керамического материала, заполняющего межпоровое
пространство аглопорита и керамзита (оплавленной массы, состоя-
щей из стекловидной фазы с кристаллическими включениями), при-
мерно одинакова. Поэтому при равной плотности зерен прочность
аглопорита и керамзита в бетоне близка. Для ориентировочной
оценки прочности аглопорита можно воспользоваться формулой
(8.1), согласно которой, например, при плотности зерен 1,2 г/см3
предел прочности составляет около 20 МПа, при плотности
1,4 г/см3 — около 30 МПа, при 1,6 г/см3 — около 40 МПа и т. д.
Таблица 8 2. Требования к прочности аглопоритового щебня
Марка по насыпной плотности Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа, не менее, по категориям качества Марка по насыпной плотности Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа, не менее, по категориям качества
высшая первая высшая первая
400 0,4 0,3 700 1,0 0,9
500 0,6 0,5 800 1,4 1,2
600 . 0.8 0,7 900 1,6 1,4
Особенность аглопорита, как и многих других пористых заполни-
телей, в том, что с уменьшением размеров фракции аглопоритового
щебня или песка возрастает ее насыпная плотность. Это объясняет-
ся следующим. В аглопорите имеются поры различных размеров:
от мельчайших до 3 мм и более. При дроблении аглопорита разру-
шение идет, в первую очередь, по более крупным порам, поэтому
чем мельче фракции, тем меньше пористость зерен, больше их плот-
ность и прочность.
Минский аглопорит различных фракций имеет следующую на-
сыпную плотность: щебень фракции 20 ...40 мм — 500... 600 кг/м3;
фракции 10...20 мм —600...700 кг/м3; фракции 5...10мм — 700...
800 кг/м3; песок до 5 мм —до 1000 кг/м3.
208
Межзерновая пустотность аг-
лопоритового щебня составляет
5О...6О%), (для высшей категории
качества — не более 50%)» сле-
довательно, плотность зерен в
2 раза и более превышает насып-
ную плотность-щебня.
Пористость зерен аглопорито-
вого щебня находится • в преде-
лах 40—60%).
Коэффициент формы зерен в
среднем не должен превышать
2,5 (для высшей категории каче-
ства — 2).
В отличие от керамзитового
гравия аглопоритовый щебень
характеризуется большей долей
открытых пор (15...20%), запол-
няемых в бетоне водой и цемент-
ным тестом. Это приводит к" не-
которому повышению расхода
цемента, но одновременно спо-
собствует упрочнению заполните-
ля и сцеплению его с цементным
Рис. 8 18 Распределение отклонений
от средней насыпной плотности за-
полнителей по результатам система-
тического контроля текущей продук-
ции:
1 — аглопоритовый щебень; 2 — керамзи-
товый гравий
камнем, что благоприятно ска-
зывается на возможности получения высокопрочного аглопорито-
бетона.
Аглопорит отличается сравнительно высокой однородностью по
насыпной плотности и прочности, что создает предпосылки для его
эффективного применения в бетоне. На рис. 8.18 приводятся ре-
зультаты сравнения однородности аглопоритового щебня и керам-
зитового гравия двух предприятий. В течение месяца было произ-
ведено по 100 определений насыпной плотности каждого заполни-
теля одинаковой крупности. В интервал ±5% от среднего арифме-
тического попало 70% результатов испытания для аглопорита, тог-
да как для керамзита только 35%). Коэффициент вариации насып-
ной плотности аглопорита различных заводов в пределах партий
не превышает 1 ...2%.
В соответствии с государственным стандартом к аглопориту
предъявляется ряд требований по обеспечению стойкости и долго-
вечности. Аглопоритовый щебень испытывается на стойкость к си-
ликатному распаду, морозостойкость и т. д. Ограничивается нали-
чие остатков невыгоревшего топлива: потеря массы при прокалива-
нии пробы аглопоритового щебня не должна превышать 3%). Для
ограничения содержания в аглопоритовом щебне слабообожженных
зерен предусматривается его испытание в растворе сернокислого
натрия с допускаемой потерей массы после трех циклов насыщения
и высушивания не более 5%).
8- -462
209
Рис 8.19 Схема работы тарельчатого гранулятора-
а — вид сбоку иа комплект оборудования; б — вид сверху на вращающуюся
чашу; 1 — бункер-приемник; 2 — питатель; 3 — бункер; 4 — уравнительный ба-
чок для воды (раствора); 5 — чаша; 6 — нож очистки днища; 7—место за-
грузки; 8~ форсунка для подачи воды (раствора); 9— место выгрузки гото-
вых гранул
Для аглопоритового песка нормируется зерновой состав. Потеря
массы пробы при прокаливании песка допускается до 5%.
• 8.2.4. Аглопоритовый гравий. Помимо описанной технологии
производства аглопоритового щебня и песка разработана
(М. П. Элинзон, С. Г. Васильков и др.) и освоена промышленно-
стью технология, позволяющая получать аглопорит в виде гравия.
Основным сырьем для получения такого аглопорита служат
золы тепловых электростанций, содержащие 4... 15% остатков топ-
лива.
В отличие от описанной выше технологии в данном случае стре-
мятся получить шихту в виде отдельных шариков преимуществен-
но одной фракции (10... 20 мм), для чего используют тарельчатые
грануляторы (рис. 8.19 и 8.20). Состав шихты: 85... 90% золы и
10—15% глинистой породы. Глинистая порода вводится в золу в
виде водной суспензии — шликера. Она обеспечивает связность
шихты, облегчает грануляцию и повышает прочность сырцовых гра-
нул (чтобы они не разрушились при транспортировке и укладке до
спекания).
210
Бункер расходной золы
I
Дозатор весовой
4
Конвейер винтовой Вода
I
Смеситель лопастной Jzz
4
Гранулптор тарельчатый
Г лина
4
Машина гпинорезательная
4
Агрегат длп приготовления
глиняного шликера
4
Мешалка пропеллерная
4
Насос
4
Дозатор объемный
4
Рис. 8.20. Технологическая схема приготовления сырцовых гра-
нул из золы-уиоса ТЭС
На колосниковую решетку агломерационной машины укладыва-
ют сначала слой готового аглопоритового гравия — постель (для
предохранения металла машины от действия высоких температур),
затем сырцовые гранулы слоем 200... 250 мм. В секционном горне
большей протяженности, чем в машинах для спекания шихты на
щебень и песок, сжигают газообразное топливо. При прососе горя-
чих газов сверху вниз сырцовые гранулы высушиваются, зажига-
ются и спекаются. Крупнозернистая шихта отличается большой
газопроницаемостью, поэтому даже при малом разрежении в ваку-
ум-камерах объем просасываемых сквозь шихту газов значителен.
При этом внутри спекаемых гранул создается восстановительная
среда, способствующая оплавлению и образованию спекшейся мел-
копористой массы, а омываемая воздухом поверхность гранул из-за
наличия окислительной среды не оплавляется, поэтому гранулы
между собой спекаются непрочно. На агломерационной машине
образуется не сплошной корж, как обычно, а сравнительно рыхлый
слой, рассыпающийся при дроблении на отдельные весьма прочные
пористые гранулы округлой формы, напоминающие керамзит.
Насыпная плотность аглопоритового гравия — 550 ...800 кг/м3,
предел прочности при сдавливании в цилиндре—1,2 ...4,5 МПа.
• 8.2.5. Применение. Если керамзит, который, как правило, полу-
чается более пористым и легким, чем аглопорит, используется пре-
имущественной для стеновых панелей, то для аглопорита главной
областью применения являются конструкционные легкие бетоны.
Аглопоритобетон с пределом прочности 20... 30, а в отдельных слу-
чаях и до 50 МПа, идет на изготовление предварительно напряжен-
ных железобетонных конструкций перекрытий и покрытий, больше-
пролетных балок и ферм, мостовых пролетных строений и т. д. За-
мена в этих конструкциях тяжелого бетона легким аглопоритобето-
пом значительно повышает их эффективность.
Кроме того, аглопоритобетон применяют как конструкционно-
теплоизоляционный материал. В частности, в Минске из аглопори-
8* 211
тобетона выполнены монолитные стены высотных зданий, возведен-
ных бетонированием в скользящей опалубке.
Из аглопоритобетона выпускают объемные блок-ком,наты и
другие конструкции.
8.3. ШЛАКОВАЯ ПЕМЗА
• Шлаковую пемзу получают главным образом из доменных шла-
ков (гл. 7), причем не из отвальных (такие шлаки еще нужно было
бы расплавить), а непосредственно из шлаковых расплавов, слива-
емых из доменных печей в огненно-жидком состоянии. По себестои-
мости шлаковая пемза —самый дешевый искусственный пористый
заполнитель. Естественно, что шлаковая пемза производится и при-
меняется в районах металлургической промышленности.
• 8.3.1. Основы технологии. Имеется несколько способов производ-
ства шлаковой пемзы, но все они основаны па вспучивании шлако-
вого расплава водой.
При контакте шлакового расплава (температура около 1300°С)
с водой происходит бурное вскипание с интенсивным образованием
пара. Пузырьки пара, внедряясь в расплав, не могут выделиться
свободно, поскольку при охлаждении вязкость расплава увеличива-
ется. Б результате он вздувается, вспучивается и застывает в виде
норизованной массы ячеистой структуры. Основное значение при
этом имеют химический состав шлаков и наличие в них растворен-
ных газов, определяющие газотворную способность, вязкость и по-
верхностное натяжение шлаковых расплавов.
Бассейновый способ производства шлаковой пемзы состоит в сле-
дующем. Шлаковый расплав выливается шлаковозными ковшами
в опрокидной бассейн для вспучивания, представляющий собой
металлическую ванну с перфорированным дном. Вместимость бас-
сейна позволяет принять сразу весь расплав из шлаковозного ковша
(до 16,5 м3). Снизу через отверстия в бассейн подается вода, на ее
фонтанирующие струйки выливают шлаковый расплав. Он вспучи-
вается и отвердевает, после чего выгружается, остывает в виде
глыб, затем подвергается дроблению и рассеву на фракции (рис.
8.21). Производственный цикл, включающий слив из ковша и на-
полнение бассейна расплавом, вспучивание (1,5...2 мин), охлажде-
ние и кристаллизацию (без подачи воды), разгрузку бассейна и его
подготовку к следующему циклу, составляет 15...20 мин. Объем
получаемой шлаковой пемзы — до 25 м3. Режим поризации шлако-
вого расплава можно регулировать при изменении его состава.
Брызгально-траншейный способ наиболее прост. Шлаковый рас-
плав при сливе в траншею орошается водой из перфорированных
труб, вспучивается и застывает в ней, а после охлаждения разра-
батывается экскаватором и подается на дробление и рассев. Этот
способ не является перспективным для производства шлаковой пем-
зы из-за ее невысокого качества и неоднородности по структуре.
212
Рис. 8 21. Технологическая схема производства шлаковой пемзы в опрокидном
бассейне:
1 — машина для вдувания порошковых добавок; 2 шлаковозный ковш; 3 — опрокидной
бассейн; 4— приямок; 5— промежуточный склад; 6 — мостовой край с грейферным захва-
том; 7приемное устройство дробильно-сортировочного отделения; 8 — первая ступень
дробления; 9— вторая ступень дробления; 10 — грохот; // — сепаратор для разделения
щебня на две марки
Вододутьевой способ состоит в разбивке массы расплава на от-
дельные гранулы сильной струей водовоздушной смеси с последую-
щим интенсивным смешением еще жидких гранул расплава с водо-
воздушной смесью и вспучиванием. Поризация расплава произво-
дится в струйных аппаратах (рис. 8.22). Гранулы, вспученные в ка-
мере смешения, выбрасываются на экран, с которого они попадают
на приемные устройства и агрегируются в глыбы. Полученная
шлаковая пемза имеет однородную мелкопористую структуру с раз-
мером пор до 1 мм.
Гидроэкранный способ предусматривает последовательную об-
работку шлака на двух гидрожелобах (рис. 8.23). С первого жело-
ба вспучивающийся шлаковый расплав струями воды бросается на
вертикальный экран, отразившись от которого попадает на второй
желоб, где снова подхватывается струями воды и направляется на
пластинчатый перегружатель для последующего охлаждения и
дробления. Производство шлаковой пемзы этим способом осуществ-
ляют на Череповецком и Криворожском металлургических заводах,
на Новолипецком металлургическом комбинате. Технологическая
схема производства представлена на рис. 8.24.
Все описанные выше способы позволяют получать дробленую
Шлаковую пемзу в виде пористого щебня и песка.
213
Д/ла/гпЛш pacnnofi
Рис. 8.22. Схема струйного вододутьевого аппарата:
1 — стенка приемной камеры; 2-—направляющий лоток; 3 — водяная рубашка; 4—
камера смешения; 5 —рабочее сегментное сопло
Шлакопемзовый щебень, как и аглопоритовый, имеет зерна ост-
роугольной формы с открытыми порами, отличается большой меж-
зерновой пустотностью.
В УралНИИстромпроекте разработана технология получения
шлаковой пемзы в виде гравия округлой формы с закрытыми
порами.
Рис. 8.23. Схема установки для гидроэкраиного способа получения
шлаковой пемзы:
1 — приемная воронка; 2 — гидромониторная насадка; 3 — экран; 4 — желоб;
5 — пластинчатый перегружатель
214
Шлаковозный ковш
;
Копер для пробивания корки
I
Вода --► Аппарат гидроэкранный
I
Приемный бункер шлаковой пемзы
с краном мостовым грейферным
---- I
Приемный бункер с колосниковым грохотом
и питателем (0.400 мм)
I
Грохочение
0.100 мм|"
0.40 мм
J +100 мм
Дробилка щековая
Г рохочение
J I-------------------
+ 40 Дроби пка двухвалковая зубчатая
I
Грохочение
10.40 мм ) + 40 мм
Грохочение товарное
—-------------------------------------
Накопительные бункера
Фр.0.5 мм фр.5.10 мм фр 10.20 мм фр. 2040 мм
г I I 4
Т ранспортирование
I
Склад фракционированной
шлаковой пемзы
I
Отгрузка в автомобильный и
железнодорожный транспорт
Рис. 8 24. Технологическая схема производства шлако-
вой пемзы гидроэкраиным способом
Шлакопемзовый гравий получают на установке (рис. 8.25), в
которой применен усовершенствованный струйный вододутьевой
аппарат (водовоздушный гранулятор). Диспергированные и вспу-
ченные частицы шлакового расплава соединяются на встречном
экране в крупные куски. Полученную массу, еще не потерявшую
пластические свойства, обрабатывают в барабанном холодильнике.
Во вращающемся барабане с продольными лопастями происходит
дополнительное вспучивание, разделение крупных кусков на отдель-
ные зерна и их окатывание.
• 8.3.2 Технические требования. ГОСТ 9760—86 «Щебень и песок
пористые из металлургического шлака (шлаковая пемза)» содержит
технические требования, в основном аналогичные требованиям
стандартов к другим пористым заполнителям.
215
Рис. 8 25. Схема установки для производства гравиеподобной шлако-
вой пемзы:
/ — водовоздушиыЙ гранулятор; 2 — приемная камера; 3 — барабанный холодиль-
ник; 4— разгрузочная камера; 5— паровоздухопровод; 6 — затвор «мигалка»;
7 — вибропитатель; в — короб; 9 — конвейер ленточный
Пустотность фракционированного щебня не должна быть более
52%, среднее значение коэффициента формы зерен не должно пре-
вышать 2,5.
Стандарт предусматривает испытание шлакопемзового щебня на
стойкость против силикатного распада.
Требования к прочности шлакопемзового щебня при сдавлива-
нии в цилиндре (табл. 8.3) близки к соответствующим требованиям
для аглопоритового щебня (см. табл. 8.2).
Таблица 8.3. Требования к прочности шлакопемзового щебня
Марка по насыпной плотности Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа, не менее Марка по насыпной плотности Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа, не меиее
400 0,30 700 0,70
450 0,85 750 0,90
500 0,40 800 1,10
550 0,45 850 1,30
600 0,55 900 1,50
650 0,65
Чем больше пористость шлаковой пемзы, тем меньше ее проч-
ность, причем как и для керамзита и аглопорита предел прочности
приблизительно пропорционален квадрату плотности зерен (по дан-
ным В. С. Григорьева).
Зерна шлаковой пемзы имеют явно выраженную ячеистую
структуру. Средний диаметр пор-ячеек— 1 ...2 мм. Иногда получа-
ют шлаковую пемзу с диаметром пор 5...6 мм. Такая пемза напо-
минает затвердевшую пену. В качестве заполнителя для бетона
216
лучше использовать мелкопористую шлаковую пемзу. Шлаковая
пемза получается весьма неоднородной по степени вспучивания.
Поэтому после дробления и сортировки по крупности целесообраз-
на сепарация по плотности зерен, что может значительно повысить
эффективность ее применения.
• 8.3.3. Применение. Шлаковую пемзу используют главным обра-
зом в конструкционно-теплоизоляционных бетонах ограждающих
конструкций. В силу меньшей ее теплопроводности (см. гл. 4) воз-
можно применение шлакопемзобетона повышенной плотности без
ухудшения его теплозащитных свойств по сравнению, например, с
керамзитобетоном: шлакопемзобетон с плотностью 1400 кг/м3 имеет
примерно такую же теплопроводность, как керамзитобетон с плот-
ностью 1200 кг/м3.
Шлаковая пемза М 750... 900 может использоваться при получе-
нии высокопрочных бетонов для различных несущих конструкций.
Однако необходимо иметь в виду возможность коррозии стальной
арматуры в шлакопемзобетоне из-за содержания в шлаке серы.
При производстве предварительно напряженных конструкций, осо-
бенно с проволочной арматурой, стойкость арматуры в шлакопемзо-
бетоне должна быть установлена специальным исследованием.
8.4. ШУНГИЗИТ
• Шунгизит получают вспучиванием при обжиге графитсодержа-
щей сланцевой породы — шунгита. Большое месторождение шунги-
та разрабатывают в Карельской АССР. Породу в виде фракциони-
рованной крошки поставляют многим предприятиям, использую-
щим ее как сырье для производства шунгизитового гравия.
Шунгизитовый гравий получают по сухому способу. В сущности
шунгизит — это разновидность керамзита, отличающаяся видом
сырья.
В ГОСТ 19345—83 «Гравий шунгизитовый» содержатся техни-
ческие требования, аналогичные предъявляемым к керамзитовому
гравию, но требования к прочности значительно ниже.
При организации производства шунгизита в связи с большим
коэффициентом вспучивания сырья (до 5 — по результатам лабо-
раторных испытаний) и простотой технологии предполагали его вы-
сокую технико-экономическую эффективность. Однако отмечается
неоднородность поставляемого сырья, в связи с чем НИИкерамзит
рекомендует его обогащение по принципу избирательного дробле-
ния исходной породы (чем прочнее порода, тем, как установлено
опытами, больше коэффициент ее вспучивания) или же помол сырья
и переход на порошково-пластический способ производства (тем
более, что в настоящее время при производстве шунгитовой крошки
до40% добытой породы в виде мелких отходов не используется). Та-
кая переработка сырья ведет к повышению качества шунгизита, но
с усложнением технологии в дополнение к большим расходам на
217
перевозку сырья возрастут издержки производства. Исследования
ВНИИстрома направлены на рационализацию технологии термо-
обработки.
Институтом «Союзгипростром» разработан типовой проект пред-
приятия по производству шунгизита мощностью 200 тыс. м3 в год
(рис. 8.26). Мощность предприятия обеспечивается двумя техно-
логическими линиями, использующими шунгитовую крошку опре-
деленной фракции (5...8 и 8... 15 мм).
Крошка со склада сырья, рассчитанного на работу линий в те-
чение 15 сут, додается скиповыми подъемниками в расходные бун-
кера, установленные над печами термоподготовки (2,5X20 м).
В этих печах материал нагревается до 400°С примерно за 20 мин,
а затем через перегрузочные камеры поступает в печи обжша
(3,5X24 м), где находится в течение 12... 15 мин (производитель-
ность одной печи 12,5 м3/ч). Вращение печей термоподготовки и об-
жига с различной скоростью позволяет осуществлять ступенчатый
режим термообработки шунгитовой крошки, вспучивающейся обыч-
но при температуре 1120... 1150°С. Узкий температурный интервал
вспучивания (до 30°С, что значительно меньше требуемого при про-
изводстве керамзита) усложняет обжиг сырья. Во избежание об-
разования спеков в печь перед зоной обжига вводят опудривающий
порошок.
Охлаждение шунгизита производят в две стадии: сначала с 900
до 550°С в барабанном холодильнике (2,2X16 м) в течение 20 мин,
а затем до 60... 80°С в аэрожелобе длиной 10 м в течение 2 мин.
«Мягкий» режим охлаждения способствует снятию термических
напряжений в материале и повышению прочности шунгизита.
Охлажденный шунгизит конвейером с погруженными скребками
направляется на склад готовой продукции, где после сортировки
хранится по фракциям в силосах (8 шт.).
Применяется шунгизит для теплоизоляционных и конструкци-
онно-теплоизоляционных легких бетонов.
8.5. АЗЕРИТ
• Азерит — это искусственный пористый заполнитель, который
можно считать одной из разновидностей керамзита, но логично вы-
делить его в особый вид заполнителя, поскольку технология и свой-
ства азерита существенно отличаются от вышеописанных.
Азерит своим названием связан с Азербайджаном, где в НИИСМ
им. С. А. Дадашева предложена и разработана (Э. В. Пыльник
и др.) его технология.
Главное отличие технологии азерита (рис. 8.27) от технологии
керамзита состоит в том, что исходное глинистое или иное мине-
ральное сырье.предварительно в специальном плавильном агрегате
(конвертере) при температуре 1450... 2000°С полностью переводят
218
Рис. 8.26. Общий вид завода по производству шунгизита мощностью 200 тыс. м3 в год:
/ — склад сырья; 2 —печь термоподготовки; 3 — обжиговая печь; 4— холодильник; 5— склад готовой продукции; б" —скиповый
подъемник
Рис. 8.27. Технологическая схема производства азеритового гравия
в расплав. Затем расплав при быстром охлаждении водой (300...
400 °С/мин) переводят в стекловидное состояние.
Последующие этапы технологии: помол совместно с добавкой
глины (связующее) и кокса (газообразователь) в шаровой мель-
нице, грануляция при увлажнении порошка на тарельчатом грану-
ляторе, опудривание огнеупорным порошком и вспучивание во вра-
щающейся печи при температуре 900... 1000°С, как в производстве
керамзита.
На первый взгляд такая технология может показаться убыточ-
ной ввиду больших энергетических затрат на переплав сырья. К то-
му же после переплава требуется добавка газообразователя, по-
скольку естественные источники газообразования, имевшиеся в ис-
ходном сырье, в данном случае не используются. Но для правиль-
ной технико-экономической оценки технологии необходимо выяс-
нить ее конечный результат.
Как уже было сказано в § 8.1, наличие стеклофазы в керамзито-
вом сырье улучшает его вспучивание при обжиге. Это тем более до-
стигается при полном переводе сырья в стеклообразное состояние.
Повышение коэффициента вспучивания ведет к увеличению объема
выпускаемой продукции, поэтому, несмотря на дополнительные рас-
220
ходы, связанные с переплавом сырья, удельные расходы, приходя-
щиеся на 1 м3 выпускаемой продукции, могут оказаться умеренны-
ми. Таким образом, экономическая эффективность этой технологии
может быть обеспечена только при значительном улучшении вспу-
чивания сырья.
Азеритовый гравий характеризуется насыпной плотностью 140..
850 кг/м3, причём регулированием содержания газообразующей до-
бавки и другими технологическими приемами можно обеспечить
получение азерита требуемой плотности в зависимости от его на-
значения.
Прочность азеритового гравия при сдавливании в цилиндре в
1,5... 2 раза выше прочности керамзитового гравия сопоставимой
плотности. Для вышеуказанного диапазона насыпной плотности она
составляет 0,6... 14,7 МПа. Повышение прочности объясняется рав-
номерной мелкой пористостью и однородностью структуры межпоро-
вых перегородок материала.
В отношении влияния структуры на прочность в науке о подоб-
ных материалах имеются две точки зрения. Согласно одной из них,
кристаллизация повышает прочность, что используется, например,
в технологии стеклокристаллических материалов (ситалла, шлако-
ситалла). Согласно другой, более высокую прочность обеспечивает
стеклообразное состояние, характеризующееся однородностью и
изотропностью. Применительно к производству искусственных по-
ристых заполнителей для бетона, когда направленная кристалли-
зация материала практически не удается, а частичная кристалли-
зация ведет лишь к неоднородности структуры и напряженного со-
стояния, вторая точка зрения (о преимуществе стеклообразного
состояния) более реальна.
Уместно напомнить, что стеклообразное состояние характеризу-
ется меньшей теплопроводностью материала (см. 4.4).
Повышенная прочность азерита по сравнению с керамзитом дает
ему преимущества при применении в высокопрочных конструкцион-
ных легких бетонах, а пониженная теплопроводность — в конструк-
ционно-теплоизоляционных легких бетонах для ограждающих кон-
струкций.
8.6. ТЕРМОЛИТ
• Термолитом называют материал в виде щебня или гравия, полу-
чаемый при обжиге кремнистых опаловых пород (трепелы, диато-
миты, опоки) без вспучивания.
Исследования В. П. Иваненко, А. А. Крупина и других показа-
ли, что это сырье весьма перспективно для производства искусст-
венных пористых заполнителей, причем некоторые его разновидно-
сти при обжиге вспучиваются, другие только спекаются. Вспучен-
ный гравий из трепельных пород, согласно принятой классифика-
ции, относится к керамзиту и его разновидностям.
221
Пластический способ Порош к ово-пластический способ
Сухой способ
Г пинорыхпитель
I
Питатель ящичный
Добавка
твердая
или
жидкая
Вальцы
грубого помола
I 1
Смеситель.
* nRVXRa
лопастной
двухвапьный
I
Бегуны
мокрого помопа
I
Вальцы тонкого помопа
с зазором 3 мм
I
Вапьцы тонкого помола
с зазором мм
Склад сырья
I
Питатель пластинчатый
*
Дробилка молотковая
Молотковая мельница
для сушки и помола
4
Осадительная система
*
Бункер
запаса
порошка
I
Питатель
ленточный
*
Смеситель лопасной
двухвапьный
I
Пресс шнековый
;
Барабан сушильный
I
Бункер запаса _
гранул сырца (щебня)
I
Дозатор
автоматический
*
Печь вращающеяся
*
Холодильник барабанный
или слоевой
*
Гравиесортировка
I
Склад готовой продукции
Виброгрохот
Дробилка
молотковая
Питатель пластинчатый
Дробилка молотковая
I
Барабан сушильный
Добавка
твердая
или
жидкая]
Рис. 8.28. Технологические схемы производства термолита с подготовкой сырца
по пластическому, сухому и порошково-пластическому способам
Технология производства термолита в основных чертах соответ-
ствует описанной выше технологии производства керамзита по
сухому, порошково-пластическому или пластическому способу под-
готовки сырья (рис. 8.28). По сухому способу получают термолит
из камнеподобных кремнистых пород (опок), по пластическому —
из рыхлых трепелов.
Насыпная плотность термолитового гравия или щебня состав-
ляет 600... 1200 кг/м3, плотность зерен—1,0... 1,9 г/см3, пористость
зерен — 20... 60%. Последняя обусловлена пористостью исходного
сырья, а также разложением водосодержащих минералов и приме-
сей. Прочность при сдавливании в цилиндре термолитового гравия
составляет (в зависимости от насыпной плотности) 2... 7 МПа, щеб-
222
ня 1.4...4 МПа. В отличие от пористых заполнителей, получаемых
вспучиванием или дроблением, для которых, как указано выше, ха-
рактерно значительное увеличение насыпной плотности и плотности
зерен мелких фракций по сравнению с более крупными, показатели
плотности термолита разной крупности близки.
Термолит используют для получения конструкционных и кон-
струкционно-теплоизоляционных легких бетонов.
8.7. ОБЖИГОВЫЙ ЗОЛЬНЫЙ ГРАВИЙ
9 Сырьем для производства обжигового зольного гравия служат
золы теплоэлектростанций, в том числе и из отвалов после их гид-
роудаления.
Технология, разработанная ВНИПИтеплопроектом (рис. 8.29),
предусматривает сушку и помол золы, затем ее окатывание в ша-
ровидные гранулы диаметром около 15 мм. Для облегчения гра-
нуляции и обеспечения достаточной прочности гранул золу смачи-
вают водным раствором ЛСТ (лигносульфонатов технических) или
же добавляют глину. Далее гранулы подсушивают и обжигают в
коротких вращающихся печах прямоточного действия, причем их
подают сразу в высокотемпературную (около 1200°С) зону печи.
Для повышения пористости гравия в золу можно добавлять дре-
весные опилки.
Насыпная плотность зольного гравия — 300... 800 кг/м3. Насып-
ная плотность гравия фракций 5... 10 и 10...20 мм близка. Предел
прочности при сдавливании в цилиндре приблизительно соответст-
вует требованиям к керамзитовому гравию той же насыпной плот-
ности.
Основное назначение — конструкционно-теплоизоляционные бе-
тоны.
• Заполнитель на основе золы теплоэлектростанций в смеси с
глинами получают также и в противоточных вращающихся печах
Рис. 8.29. Технологическая схема изготовления зольного гравия:
1 — ящичный подаватель с глииорыхлителем; 2— сушильный барабан контактного нагрева;
3 —дымосос; 4 — шаровая мельница; 5 — тарельчатый гранулятор; 6 — сушильный барабан;
'—узел приготовления жидкой добавки; 8— прямоточная вращающаяся печь; 9— холо-
дильник; 10 — гравиесортировка; 11— бункера готовой продукции
223
пс технологии, принятой в производстве керамзита. Его называют
глинозольным керамзитом.
8.8. БЕЗОБЖИГОВЫЙ ЗОЛЬНЫЙ ГРАВИЙ
• Основами получения безобжигового зольного гравия (БЗГ) яв-
ляются: 1) грануляция увлажненной смеси золы и вяжущего; 2)
гидратационное твердение вяжущего и его взаимодействие с ак-
тивными составляющими золы.
Для изготовления БЗГ можно применять портландцемент,
известь, гипсовые, гипсоцементно-пуццолановые вяжущие (ГЦПВ)
и использовать золы ТЭС сухого отбора (из-под фильтров и цикло-
нов), а также высушенные золы из .отвалов их гидроудаления (зо-
лошлаковые смеси).
Содержание частиц несгоревшего топлива в золах и золошлако-
вых смесях допускается до 25%. что существенно выше, чем для
производства обжиговых заполнителей. Таким образом, возмож-
ность использования зол расширяется. Удельная поверхность зол
должна быть не менее 2500 см2/г. Это обусловлено тем, что грану-
лируемость порошков зависит от их гранулометрического состава,
в частности от содержания мелких частиц с размерами до 20 мкм.
Дисперсность частиц золы имеет значение и для гидратационногс
твердения гранул.
В МИСИ им. В. В. Куйбышева разработаны различные вариан-
ты технологии получения БЗГ, один из которых показан на рис. 8.30.
На основе молотой золы или золо шлаковой смеси с добавкой 10...
15% портландцемента получают гранулы, которые подвергают крат-
ковременному пропариванию в камере (4 ч при температуре 90...
95°С).
Насыпная плотность такого гравия 700... 950 кг/м3. Прочность
при сдавливании в цилиндре 0,6 ...0,8 МПа обеспечивает возмож-
ность транспортирования и складирования. Прочность продолжает
расти при естественном твердении (до 5 ... 6 МПа в 28-суточнсм воз-
расте), а также в составе бетона при тепловой обработке изделий.
Повышения прочности гранул и сокращения сроков их тепловой об-
работки можно достигнуть применением добавок-ускорителей твер-
дения типа сернокислого натрия, нитрит-нитратхлорида кальция и
других солей неорганических кислот, вводимых с водой затворения
в количестве 1 ... 3% от массы вяжущего.
При использовании вместо портландцемента быстротвердеюще-
го ГЦПВ заполнитель сразу после грануляции приобретает доста-
точную прочность и не нуждается в тепловой обработке. Через сут-
ки прочность при сдавливании в цилиндре составляет 0,7... 1,5 МПа,
через трое суток — 2,3... 3,0 МПа.
Насыпная плотность гравия может быть снижена введением в
состав сырьевой смеси различных облегчающих добавок: вспученно-
го перлитового песка, древесных опилок, стеклопора, отходов пено-
224
Рнс. 8 30. Технологическая схема изготовления безобжигового зольного гравия
(БЗГ):
/ — бункер цемента; 2 — бункер золы; 3 — дозатор весовой; 4 — мельница шаровая; 5 — си*
стема пневмотранспорта; 6 — циклоны; 7 — бункер золоцемеитной смеси; 8 — питатель лен-
точный; $ —конвейер винтовой; 10— бак воды с дозатором; 11—емкость для жидких до-
бавок с дозатором; 12 — смеситель двухвальный; 13 — гранулятор тарельчатый; 14 — кон-
вейер ленточный; /5 —камера пропарочная; 16 — бункер приемный; 17 — элеватор; 18 —
грохот; 19 — силосы
стекла илигазосиликата и др. Добавки вводят в смеситель при под-
готовке массы к грануляции. Расход цемента составляет 60...
100 кг/м3. Облегченный безобжиговый гравий (ОБЗГ) имеет насып-
ную плотность 400... 600 кг/м3, а прочность при сдавливании в ци-
линдре в сухом состоянии — 1,0... 1,6 МПа.
Производство безобжигового зольного гравия характеризуется
экономией топливно-энергетических ресурсов. Например, расход
условного топлива в 2... 3 раза ниже, чем при производстве обжи-
говых искусственных пористых заполнителей.
Применяется БЗГ как крупный заполнитель для конструкцион-
ных и конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов.
8.9. ВСПУЧЕННЫЙ ПЕРЛИТ
• Вспученный перлит — материал, получаемый вспучиванием при
обжиге подготовленных зерен из вулканических водссодержащих
пород (перлит, обсидиан, витрофир и др.).
Месторождения перлитов, а также обсидианов и других анало-
гичных вулканических стекол выявлены в Закарпатье, Армении,
Азербайджане, Грузии, Приморском крае, Бурятской АССР.
225
В перлите содержится около 1 ...2% (иногда больше) связанной
воды. При обжиге (1000... 1250 °C) перлит размягчается и под дав-
лением паров высвобождаемой воды сильно вспучивается. Ко-
эффициент вспучивания — до 10... 12. Чем он больше, тем меньше
расход сырья на единицу объема продукции. Поэтому многие пред-
приятия, производящие легкий вспученный перлит, работают на
привозном сырье с умеренной себестоимостью продукции. Однако
если коэффициент вспучивания меньше, удельные затраты на пе-
ревозку сырья увеличиваются и себестоимость продукции возра-
стает.
В соответствии с ГОСТ 10832—83 «Песок и щебень перлитовые
вспученные» предусматриваются марки по насыпной плотности для
песка 75... 500, для щебня — 200... 500. Прочность щебня при сдав-
ливании в цилиндре для указанных марок должна быть не менее
0,15... 0,9 МПа.
Вспученный перлит отличается от других пористых заполнителей
высоким водопоглощением, которое тем больше, чем больше сте-
пень вспучивания. В стандарте водопоглощение щебня ограничива-
ется: для марки 500 — не более 30%, для марки 400—50%, для
марки 300—75%, для марки 250—100%, для марки 200— 125%
по массе.
В отличие от других пористых заполнителей мелкие фракции
вспученного перлита легче крупных. Это объясняется особенностя-
ми вспучивания стекловидных пород по сравнению, например, с
глинистыми. Так, при производстве керамзита мелкие глиняные
гранулы (до 5 мм) часто совсем не вспучиваются, так как еще до
размягчения теряют все образующиеся при обжиге газы. Перли-
товая же стекловидная порода удерживает газы, и чем лучше она
прогревается в мелких гранулах, тем интенсивнее вспучивается.
Технология производства вспученного перлита включает дроб-
ление исходной породы (до 1... 2 мм при производстве песка и до
5... 10 мм при производстве щебня) и сортировку. Перед обжигом
сырье в ряде случаев рекомендуется подвергать предварительной
термической обработке в сушильном барабане или малой вращаю-
щейся печи при температуре 250... 450°С в течение нескольких ми-
нут. При этом удаляется свободная и слабосвязанная вода, в даль-
нейшем зерна породы могут при обжиге выдержать более высокую
температуру, не растрескиваясь. Остаточной, трудноудаляемой во-
ды в зернах вполне достаточно для бурного вспучивания при тем-
пературе до 1250°С.
Для получения вспученного перлита используют вертикальные
(шахтные) и вращающиеся печи, а также печи кипящего слоя. Вы-
бор конструкции печи определяется размером обжигаемых зерен,
требуемыми свойствами заполнителя и запланированной произво-
дительностью.
При производстве вспученного перлитового песка (рис. 8.31)
применяют шахтные печи. Печь представляет собой вертикальный
226
7<7
Рнс. 8 31. Технологическая схема производства перлитового
песка обжигом в вертикальной печи:
1—элеватор ленточный для сырья; 2— питатель тарельчатый; 3 — кон-
вейер ленточный передвижной; 4 — элеватор ленточный; 5 — затвор
шиберный реечный; 6 — питатель дисковый; 7 — печь термоподготовки
СМТ-178; 8 — вентилятор дутьевой, 9 — печь вспучивания вертикальная
(шахтная) CMT-I77; 10, 11 — циклоны; 12— затвор-питатель; 13 — бун-
кер готового продукта; 14— питатель ячейковый; 15— затвор челюст-
ной
футерованный изнутри цилиндр с конической нижней частью. По-
ток горячих газов от сжигания топлива направляется снизу вверх.
Поскольку площадь сечения конической части печи с подъемом уве-
личивается, скорость газового потока соответственно уменьшается.
Через загрузочные отверстия в верхнюю цилиндрическую часть
печи подается дробленая перлитовая порода и свободно падает
вниз, пока в конической части не подхватывается восходящим по-
током горячих газов. Зерна породы, витая в горячей газовой струе,
вспучиваются. При этом парусность их резко увеличивается, и сии
увлекаются газовым потоком вверх, выносятся из печи и затем
осаждаются в циклонах.
Технология производства вспученного перлитового щебня и песка
(рис. 8.32) предусматривает термическую обработку сырья во вра-
щающихся печах. Легкие мелкие фракции песка вспучиваются в ос-
новном во взвешенном состоянии и уносятся из печи потоком отхо-
дящих газов (с последующим осаждением в циклонах). Более круп-
ные фракции, не увлекаемые газовым потоком, вспучиваются на
футеровке печи и выгружаются. Для ускорения нагрева материала
227
Рис. 8 32. Технологическая схема производства перлитовых
щебня и песка обжигом во вращающейся печи:
/ — загрузочное устройство для сырья; 2 — элеватор леиточиыЙ; 3—
силос сырья; 4 — питатель тарельчатый; 5 — конвейер ленточный пере-
движной; 6 — элеватор ленточный; 7 — затвор реечный шиберный;
8 — питатель дисковый; 9 — печь термоподготовки СМТ-178; 10 — печь
вспучивания вращающаяся СМТ-179; 11— дутьевой вентилятор; 12 —
циклон; 13 — осадитель; 14 — сито-бурат; 15 — затвор-питатель; 16 — си-
лосы готовой продукции; 17 — затвор челюстной; 18 — питатель диско-
вый (производство щебня); 19 — питатель ячейковый (производство пес-
ка)
используют принцип прямотока, т. е. факел горящего топлива и по-
ток газов направляют не навстречу потоку обжигаемого материала
(как при получении керамзита), а в том же направлении — по на-
клону печи.
Для получения вспученного перлита с зернами размером до
10 мм, в основном крупного песка, обжиг целесообразно произво-
дить в двухзонных печах кипящего слоя.
Применяют вспученный перлит в качестве теплоизоляционного
материала и заполнителя для особо легких теплоизоляционных и
конструкционно-теплоизоляционных, а также жаростойких бето-
нов.
228
В ряде случаев перлитовый песок используют как мелкий за-
полнитель в других видах легкого бетона: керамзитоперлитобетсне,
шлакопемзоперлитобетоне и других, в которых крупный заполни-
тель— керамзит, шлаковая пемза, а мелкий — вспученный перлит.
Опыт показал, что при этом насыпная плотность перлитового
песка должна соответствовать М 200 или более, а содержание в нем
фракции мельче 0,16 мм не должно превышать 10% по объему.
В связи с большим водопоглощением вспученного перлита и за-
медленной влагоотдачей представляет интерес его гидрофобизация
растворами ГКЖ-10 и ГКЖ-11, при которой, по данным КПИ и
НИИСМИ (Киев), значительно уменьшается водопоглощение и со-
здаются условия для более эффективного использования вспучен-
ного перлита.
Представляет интерес также баротермальный способ получения
вспученного перлита, предложенный Г. И. Еворенко. При этом пер-
лит сначала нагревается до температуры размягчения под давлени- -
ем в паровой среде, а затем при сбросе давления вспучивается.
Этим способом можно получить очень легкий материал со сравни-
тельно высокой прочностью и малым водопоглощением.
8.10. ВСПУЧЕННЫЙ ВЕРМИКУЛИТ
• Вермикулит — разновидность слюды, магниево-железистый гид-
роалюмосиликат с содержанием связанной воды 8... 18%. Это срав-
нительно мягкая горная порода золотистого цвета с перламутровым
блеском.
Месторождения вермикулита встречаются на Урале, в Мурман-
ской области, Якутской АССР, в ряде районов Сибири и Дальнего
Востока.
При температуре 1000... 1200°С вермикулит вспучивается, уве-
личиваясь в объеме в 15...20 раз и более. Получается пористый ма-
териал в виде песка и щебня с насыпной плотностью 80... 300 кг/м3.
Из вспученного вермикулита можно получать особо легкие бе-
тоны небольшой прочности для теплоизоляции. В крупнопанельном
домостроении вермикулитобетон используется для утепления пане-
лей наружных стен и совмещенных кровельных покрытий.
8.11. ДРУГИЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
РЕШЕНИЯ
В районах, где отсутствуют природный гравий и каменные по-
роды, пригодные для производства щебня (а такие районы состав-
ляют почти % территории СССР), может оказаться целесообраз-
ным производство керамического заполнителя из местных глини-
стых пород, который будет дешевле привозных заполнителей.
• В Ленинградском и Омском филиалах СоюздорНИИ разработа-
на технология производства керамдора, который Применяется в ка-
229
I
честве крупного заполнителя в конструкционных бетонах с преде-
лом прочности 30... 50 МПа и в дорожном строительстве. Керамдор
получают из местных невспучивающихся глин, а также из смесей
глин с золами. В зависимости от способа переработки сырья и его
грануляции он может быть в виде гравия или щебня, а также в виде
кубиков (при пластическом формовании на ленточных прессах).
Сформованные гранулы сушат, а затем обжигают во вращаю-
щихся (как при производстве керамзита) или карусельных печах.
Насыпная плотность керамдора — 800... 1400 кг/м3, предел проч-
ности при сдавливании в цилиндре — 3,5... 6 МПа. В Западной Си-
бири производство керамдора из местного сырья обходится дешевле
привозных заполнителей в районах, расположенных на расстоянии
более 70 км от железных дорог.
По разработкам СибАДИ (Омск) для дорожного строительства
применяют тяжелый (800... 1200 кг/м3) и высокопрочный (4,5...
6 МПа) керамзит, причем его производство предусмотрено как по
специальному технологическому регламенту, так и путем отбора
тяжелого продукта при разделении рядового керамзита по плотно-
сти зерен.
• В Куйбышевском инженерно-строительном институте получен
керамический гравий с насыпной плотностью 1100... 1200 кг/м3 и
пределом прочности зерен (»при испытании кубиков) 50... 55 МПа,
пригодный для получения бетонов с пределом прочности 50 МПа.
9 В ряде районов производство сравнительно дешевого керамиче-
ского щебня может быть организовано по технологии, аналогичной
технологии производства кирпича, с последующим дроблением и
рассевом. Технология может быть упрощена, режимы сушки и об-
жига ускорены (кирпич в данном случае — полуфабрикат, и тре-
щины в нем не снизят качества щебня, получаемого дроблением).
Качество такого щебня (степень спекания, плотность, прочность)
сравнительно легко регулируют выбором глинистого сырья, доба-
вок, температуры обжига.
• На Украине опробовано производство пустотелого керамическо-
го гравия для легких бетонов. Пустотелый гравий получают пла-
стическим формованием отрезков трубок из глиномассы на ленточ-
ном прессе, окатыванием их в барабане с последующей сушкой и
обжигом.
• В СибЗНИИЭП получен пустотелый керамический гравий, на-
званный вакулитом. Основу глиняных гранул составляют древесные
спилки или другие органические отходы, выгорающие при обжиге.
• В США разработана технология получения заполнителя типа
керамзита из невспучивающихся глии. Глинистое сырье разводят
в воде и смешивают с пенообразователем, в результате чего полу-
чают подвижную пенистую массу. Ее перекачивают насосом на
наклонный вибролоток с сухой размолотой глиной, где масса гра-
нулируется, гранулы окатываются, покрываются порошком глины
и стабилизируются, приобретая достаточную прочность для после-
230
дующего обжига вс вращающейся печи. По такой технологии мож-
но получать заполнитель типа керамзита с насыпной плотностью
600... 800 кг/м3 из тугоплавких глин, температура спекания которых
выше температуры газообразования.
• ВНИИстром разработал технологию обжига гранулированных
материалов в печах кипящего слоя с промежуточным теплоноси-
телем в виде кварцевого песка или шамотной крошки. Смесь газо-
образного топлива и воздуха сжигается в кипящем слое. Туда же
подают подлежащий обжигу материал. Теплоотдача от твердого
теплоносителя интенсивнее, чем от газа, поэтому гранулы обжига-
ются значительно быстрее и при несколько повышенной темпера-
туре (в кипящем слое гранулы между собой не свариваются). За-
полнитель получается более легкий. Этот способ обжига можно
использовать для получения искусственных пористых заполнителей
из сырья с малым температурным интервалом вспучивания (шун-
гит, обсидиан), обжиг которого во вращающихся печах за-
труднен.
• В Японии, ФРГ получают искусственные пористые заполнители
из расплавов шлака, кварцевого песка и различного силикатного
сырья. В расплав добавляют газообразующие вещества, расплав
вспучивается, его гранулируют, пропуская через решетку или на-
правляя капли расплава на вращающийся купол, охлаждают и по-
лучают пористый гравий различной насыпной плотности с относи-
тельно высокими прочностными показателями.
• В НИИкерамзите предложена технология получения легкого и
прочного заполнителя, получившего название стеклопорит. Сырьем
могут служить глинистые породы, непригодные для получения ке-
рамзита. Их плавят, формуют пористые капли, которые при транс-
портировке по желобу посыпают молотым песком или мелом. Гра-
нулы не имеют открытых пор, водопоглощение практически не на-
блюдается.
• В МИСИ им. В. В. Куйбышева разработана технология получе-
ния гранулированного пеностекла. Сырьем служит стеклянный бой
с небольшими добавками мела (в качестве газообразователя) и кар-
боксиметилцеллюлозы (в качестве связующего). Технология вклю-
чает помол, увлажнение, перемешивание, грануляцию, опудривание
огнеупорным порошком, сушку и обжиг вс вращающейся печи, за-
тем отжиг и охлаждение. Насыпная плотность— 150... 220 кг/м3 при
весьма высоком пределе прочности (испытание в цилиндре) — 0,6...
1,1 МПа.
• АзНИИСМ им. С. А. Дадашева в развитие вышеописанной идеи
азерита разработал технологию получения пористых заполнителей
из гранулированных доменных или ваграночных шлаков. Структура
этих промышленных отходов, как уже было сказано выше, стекло-
видная, поэтому из них можно получать высококачественные пори-
стые заполнители по технологической схеме азерита, нс без плав-
ления сырья, т. е. значительно дешевле.
231
• В том же институте доказана целесообразность использования в
качестве сырья для получения азерита не только глин, но и топли-
восодержащих промышленных отходов угледобычи и углеобогаще-
ния. Содержание топлива в этих отходах больше требуемого для их
плавления, поэтому плавильный агрегат дает не только стекловид-
ный продукт для последующей переработки в азерит, но может
явиться источником дешевой тепловой энергии для различных нужд.
• Аналогичные работы выполнены по использованию в том же на-
правлении золы. Более того, АзНИИСМом совместно с энергетика-
ми одной из тепловых электростанций создан плавильный агрегат
в комплексе с котлоагрегатом. В топке котлоагрегата сжигается
пылевидный уголь. Образующаяся зола, содержащая до 20% не
успевшего выгореть топлива, попадает в плавильный агрегат. Отхо-
дящая от плавильного агрегата тепловая энергия используется в
котлоагрегате, что ведет к экономии угля и окупает затраты на гра-
нуляцию шлакового расплава, а получаемый гранулированный стек-
ловидный материал является кондиционным сырьем для производ-
ства пористых заполнителей. Вот пример безотходного производст-
ва, комплексного и полного использования природных ресурсов.
• В МАДИ исследован в легком бетоне заполнитель в виде полых
стеклянных сфер. Предложен также новый материал — дорсил. Это
стеклокристаллический поризованный щебень с насыпной плотно-
стью около 1000 кг/м3 и пределом прочности до 100 МПа — может
быть белым или окрашенным, применяется в декоративных, кис-
лотостойких бетонах, в осветленных асфальтобетонных дорожных
покрытиях.
• В Узбекистане по технологии производства керамзита получен
легкий вспученный заполнитель из алунитовых пород, характери-
зуемый жаростойкостью и декоративностью. В Туркмении произво-
дят гравий и песок термоаргиллитовые, представляющие собой раз-
новидность керамзита Сырьем служит местный аргиллит — камне-
подобная, не размокающая в воде метаморфизированная глинистая
порода. В Грузии обжигом вулканического туфа во вращающейся
печи получают пористый заполнитель — тедзамит. В Азербайджане
по технологии производства аглопорита получен пористый щебень
и песок из отходов алюминиевого завода (от переработки алунита
в глинозем), названный гянджапоритом.
• В МИСИ им. В. В. Куйбышева разработана технология получе-
ния очень легкого пористого заполнителя, названного стеклопором.
Сырьем служит силикат-глыба (полуфабрикат производства жид-
кого стекла) и минеральный наполнитель. После совместного по-
мола гранулированный материал вспучивается при температуре
350... 400°С.
• В Минском НИИСМ разработан технологический процесс полу-
чения гранулированного пеностекла насыпной плотностью 100 ...
350 кг/м3 из стеклянного порошка, подвергнутого предварительной
гидротермальной обработке.
232
9 Представляет интерес использование золы тепловых электростан-
ций для получения безобжигового пористого заполнителя. Такой
опыт имеется в Польше: шла или смесь золы и кварцевого песка с
добавкой 10% вяжущего (портландцемента или извести) и воды
гранулируется и подвергается автоклавной обработке. Бетон на
таком заполнителе при невысокой себестоимости имеет плотность
1400... 1800 кг/м3 и предел прочности при сжатии до 20 МПа.
• В последнее время в качестве заполнителей для бетонов исполь-
зуются некоторые органические синтетические полимерные мате-
риалы. Так, определенный интерес представляет использование пе-
нополистирола Полистирол получают полимеризацией продуктов
переработки нефти, природного газа. Для производства пенополи-
стирола выпускают гранулированный (бисерный) полистирол с ле-
тучей жидкостью — изопентаном. Полистирол термопластичен, т. е.
при нагревании размягчается. Поэтому при обработке паром или в
кипящей воде размягченные гранулы вспучиваются испаряющимся
изопентаном и превращаются в очень легкий мелкопористый мате-
риал. Диаметр вспученных гранул — до 10... 15 мм, плотность —
порядка 10... 20 кг/м3, пористость — до 98%. Теплопроводность та-
кого материала почти соответствует теплопроводности воздуха, т. е.
это практически идеальный теплоизолятор.
Вспученные гранулы пенополистирола, являющиеся полуфабри-
катом в производстве пенополистирольных плит и других изделий,
можно использовать как заполнитель в теплоизоляционных и кон-
струкционно-тёплоизоляционных легких бетонах.
• Расширение объемов производства и потребления полимерных
материалов имеет одним из следствий проблему утилизации обра-
зующихся отходов. В НИИЖБе (И. Е. Путляев и др.) разработана
технология получения заполнителя для легких бетонов из полиэти-
леновых отходов — вторичного полиэтилена, наполненного золой.
Заполнитель в виде гравия фракции 5... 10 мм имеет насыпную
плотность 560 кг/м3 и прочность при сдавливании в цилиндре
1,8 МПа. Рекомендован к использованию в бетонах для полов жи-
вотноводческих помещений и при эксплуатации в агрессивных сре-
дах.
Производство искусственных пористых заполнителей обеспечивает по-
вышение эффективности бетонов различного назначения — от самых лег-
ких теплоизоляционных до высокопрочных конструкционных. Примени-
тельно к задачам производства и особенностям местного сырья разрабо-
таны, освоены промышленностью и далее совершенствуются технологиче-
ские процессы, их аппаратурное оснащение.
q 1. Каковы назначение и мощность промышленности искусственных порис-
тых заполнителей? 2. Каковы важнейшие требования, предъявляемые к
глинистому сырью для производства керамзита? Кратко охарактеризуйте
их. 3. Для чего и каким образом улучшают природное глинистое сырье?
4. Какими способами можно производить керамзит? С чем связано назва-
ние способов производства керамзита? Какие преимущества и недостатки
имеют эти способы? 5. Каковы особенности режима термообработки при
производстве керамзита? 6. Какие печи применяются для обжига керам-
233
зита? Как в них осуществляется режим термообработки? Какие мероприя-
тия позволяют снизить удельный расход топлива? 7. Какое значение имеет
газовая среда при обжиге керамзита? О каком характере сред свидетель-
ствуют цвета керамзита на поверхности и в изломе? 8. Как влияет ско-
рость охлаждения керамзита на его свойства? 9. Какие свойства керамзи-
та характеризуют термином «марка»? Какие марки керамзита предусмот-
рены стандартом? 10. Как и почему отличаются марки керамзита по проч-
ности от показателей прочности при испытании сдавливанием в цилиндре?
Какое значение имеет маркировка керамзита по прочности? 11. Какое зна-
чение имеет однородность керамзита? Каковы пути ее повышений?
12. В чем заключаются сложности получения керамзитового песка? По ка-
кой технологии наиболее целесообразно получать керамзитовый песок?
В чем ее сущность? 13. Какое сырье используют для получения аглопо-
рита? Влияет ли оно на себестоимость заполнителя? 14. В чем состоит сущ-
ность процесса агломерации? 15. От чего зависит производительность аг-
ломерационной машины? 16. Чем отличается технология аглопоритового
гравия от технологии аглопоритового щебня? 17. Является ли аглопорит
менее прочным заполнителем в бетоне, чем керамзит? Возможно ли полу-
чение аглопоритобетона высокой прочности? 18. На чем основаны спосо-
бы производства шлаковой пемзы? Назовите способы и кратко изложите их
сущность. 19. Каковы особенности технологии шунгизита (по сравнению
с керамзитом)? 20. В чем принципиальное сходство и отличие технологии
азерита и керамзита? 21. Дайте определение термолита. Какова пористость
его зерен и чем она обусловлена? С чем связано получение термолита в ви-
де щебня или гравия? 22. Почему зольный гравий (обжиговый) относят к
разновидностям керамзита? Каковы особенности его обжига? 23. Какой
принцип положен в основу технологии безобжигового зольного гравия? Ка-
кие золы можно использовать для его производства? Назовите марки без-
обжигового зольного гравия. Могут ли они быть снижены? 24. Как и за
счет чего вспучивается перлит? В чем особенности вспучивания стекловид-
ных пород по сравнению с глинистыми? Как они отражаются на свойст-
вах вспученного перлита? 25. Какие печи применяют для получения вспу-
ченного перлита в зависимости от крупности его зерен? Кратко объясни-
те как в них осуществляется обжиг. 26. Охарактеризуйте вспученный вер-
микулит. Где его целесообразно применять? 27. Назовите известные вам
новые пористые заполнители, принципы их получения, характерные пока-
затели или особенности их свойств.
Глава 9 —
ЗАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ БЕТОНА
В данной главе рассмотрены специальные бетоны,
к которым в силу их назначения или условий эксплуа-
тации предъявляются особые требования, касающиеся
выбора соответствующих заполнителей, а также неко-
торые разновидности бетонов, отличающиеся видом
вяжущего вещества или технологией приготовления.
9.1. ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЙ БЕТОН
• Гидротехнический бетон предназначен для гидротехнических со-
оружений, где особое значение имеют его плотность, водостойкость,
водонепроницаемость и морозостойкость. Отсюда повышенные тре-
бования к заполнителям и стремление к максимально возможному
насыщению ими объема бетона. При этом преследуется цель не
только экономии цемента, но главным образом улучшения свойств
бетона при меньшем содержании цементного теста (уменьшаются
тепловыделения, повышается плотность и стойкость бетона).
Заполнители применяют, как правило, из плотных каменных по-
род: природный и дробленый песок, щебень, гравий и щебень из
гравия. В Закавказье имеется опыт использования в гидротехниче-
ском бетоне пористых заполнителей из вулканических пород.
К заполнителям для бетонов гидротехнических сооружений тре-
бования (ГОСТ 10268—80) определяются дифференцированно по
трем категориям эксплуатационных условий: для подводного бето-
на и внутренней зоны сооружений; для надводного бетона; для зоны
с переменным уровнем воды. Наиболее жесткие требования отно-
сятся к последней категории. В гл. 5 это иллюстрировалось при-
мерами.
9.2. ДОРОЖНЫЙ БЕТОН
• К бетону дорожных и аэродромных покрытий предъявляются тре-
бования долговечности в тяжелых условиях эксплуатации. Причем,
согласно ГОСТ 10268—80, они зависят от назначения дорожного
бетона: 1) для однослойных покрытий и верхнего слоя двухслойных
покрытий; 2) для нижнего слоя двухслойных покрытий; 3) для ос-
нований усовершенствованных капитальных покрытий.
235
Наиболее жесткие требования предъявляются к заполнителям
для первого вида бетона. Требования к морозостойкости заполните-
лей, кроме того, дифференцированы для климатических районов в
зависимости ст среднемесячной температуры наиболее холодного
месяца.
Дополнительно по сравнению с заполнителями для обычного
тяжелого бетона предусматривается испытание щебня и гравия для
дорожного бетона на истираемость в полочном барабане.
9.3. АСФАЛЬТОВЫЙ БЕТОН
• Асфальтовый бетон —широко распространенная разновидность
дорожного бетона, используемая также а аэродромном, гидротех-
ническом, промышленном строительстве.
Требования к заполнителям в основном аналогичны вышеизло-
женным для дорожного цементного бетона, однако имеются и спе-
цифические, обусловленные свойствами асфальтового вяжущего ве-
щества и технологией получения асфальтобетона.
Согласно ГОСТ 9128—84, требования к заполнителям для ас-
фальтобетона зависят от его марок и типов. По качеству асфальто-
бетон делится на три марки: I, II, III. Наиболее высокие требова-
ния предъявляются к заполнителям для асфальтобетона марки I.
Существует’также пять типов асфальтобетона: тип А — с содержа-
нием крупного заполнителя до 65%, Б—до 50%, В — до 35%, Г
и Д — без крупного заполнителя соответственно с дробленым и при-
родным песком.
Для повышения прочности и долговечности асфальтобетона,
уменьшения его ползучести особое значение имеет сцепление вя-
жущего с поверхностью зерен заполнителя. В качестве крупного за-
полнителя применяют преимущественно щебень из плотных камен-
ных пород, щебень из гравия и металлургического шлака. Исполь-
зование недробленого гравия допускается в асфальтобетоне марок
II, III типов Б и В.
Песок также предпочтителен дробленый, в том числе отходы
дробления камня на щебень, однако больше используется природ-
ный.
Применение высокопрочного износостойкого щебня и дроблено-
го песка обеспечивает необходимую шероховатость поверхности ав-
томобильной дороги.
Стандартом нормируются зерновые составы заполнителей для
асфальтобетона различных марок и типов, причем рекомендуются
составы как непрерывные, так и прерывистые.
Зерен пластинчатой (лещадной) формы допускается для типа
А до 15% по массе, Б — до 25%, В — до 35%, т. е. требования к
качеству щебня (гравия) зависят от его содержания в бетоне. Ана-
логично дифференцированы и другие требования к заполнителям.
Из изверженных горных пород предпочтительны основные, по-
236
скольку кислые хуже сцепляются с битумом. Широко применяются
осадочные карбонатные породы — известняки и доломиты. Они же
преимущественно используются для получения минеральных по-
рошков, составляющих в смеси с битумом асфальтовое вяжущее
вещество. Для получения минеральных порошков (в отличие от
обычных заполнителей их называют наполнителями) используют
также металлургические основные шлаки, золы, пылевидные про-
мышленные отходы.
Важнейшим условием прочности и долговечности асфальтобето-
на является сцепление битума с поверхностью песка. Поскольку
пески преимущественно кварцевые, а адгезия битума к поверхности
кварцевых зерен недостаточна, в Белорусском политехническом ин-
ституте (Я. Н. Ковалев и др.) разработана активационная техно-
логия, сущность которой состоит в искусственной электризации пе-
ска (наведении поверхностного заряда) и напылении поверхностно-
активных веществ катионного или анионного типа (в зависимости
от знака заряда поверхности зерен песка). Адгезия битума к тако-
му заполнителю резко увеличивается, что дает возможность эффек-
тивнее использовать в асфальтобетоне природные пески, а также
кремнеземистые промышленные отходы, в частности отработанные
формовочные смеси литейных производств.
В связи с тем что асфальтобетон в покрытии уплотняется, как
правило, тяжелыми катками, крупный заполнитель должен харак-
теризоваться малой дробимостью при испытании в цилиндре. Вме-
сте с тем имеется положительный опыт использования в асфальто-
бетоне таких сравнительно низкопрочных заполнителей, как извест-
няки-ракушечники и искусственные керамические пористые мате-
риалы.
9.4. ЛЕГКИЙ БЕТОН
• Легкий бетон различного назначения получают в основном на
пористых заполнителях. Требования к ним, а также особенности их
применения достаточно подробно описаны выше, в соответствую-
щих главах. Поэтому здесь рассмотрим одну разновидность легко-
го бетона — крупнопористый бетон, требования к заполнителям ко-
торой специфичны.
• Крупнопористый (беспесчаный) бетон получают как на пори-
стых, так и на плотных, тяжелых заполнителях. Крупнопористый
бетон находит применение как теплоизоляционный и конструкци-
онно-теплоизоляционный (стеновой) материал, а также в мелио-
ративном строительстве для фильтрующих откосов осушительных
каналов, для изготовления дренажных труб, фильтров шахтных ко-
лодцев и т. д.
Заполнитель для крупнопористого бетона применяют преимуще-
ственно однофракционный: 5... 10 или 10... 20 мм. Структура такого
бетона — зернистая, он имеет открытые поры.
237
Прочность в зависимости от относительной плотности (т. е. от
степени заполнения межзерновых пустот крупного заполнителя це-
ментным тестом) подчиняется закономерности, аналогичной выра-
жению (2.9):
где и рб — предел прочности и плотность крупнопористого бето-
на; /?п.с и Рп.с — предел прочности и плотность бетона плотной
структуры из тех же исходных материалов, но при полном заполне-
нии цементным тестом межзерновых пустот заполнителя; рц.к —
плотность цементного камня в бетоне; п — показатель степени, ко-
торый в зависимости от вида заполнителя (формы зерен) может
принимать значения в пределах 4... 5. Испытав тот или иной за-
полнитель в крупнопористом бетоне, можно найти п и затем ис-
пользовать эту характеристику заполнителя при расчете прочности
крупнопористого бетона.
В крупнопористом бетоне гравий часто предпочтительнее щебня,
поскольку возрастает прочность при заданном расходе цемента.
Преимущество гравия перед щебнем проявляется еще и в следую-
щем. Как видно из табл. 2.2, шаровидные зерна по сравнению с уг-
ловатыми характеризуются меньшей разницей в пустотности меж-
ду наиболее плотной и наименее плотной укладкой в объеме. Та-
кое же заключение можно сделать и в отношении суммарной пло-
щади поверхности зерен (см. табл. 2.3). Следовательно, при про-
чих равных условиях крупнопористый бетон на гравии более одно-
роден по структуре и свойствам. С другой стороны, на щебне уда-
ется получить более легкий крупнопористый бетон, так как пустот-
ность щебня больше.
Как указано выше, прочность заполнителя для обычного тяже-
лого бетона по ГОСТ 10268—80 должна превышать требуемую проч-
ность бетона в 1,5... 2 раза. А. Д. Осипов пришел к выведу, что для
крупнопористого бетона этого недостаточно, и прочность заполни-
теля должна превосходить требуемую прочность бетона в 6 раз.
По С. М. Ицковичу, требования к прочности заполнителя для
крупнопористого бетона должны предъявляться дифференцирован-
но в зависимости от расхода цемента. Чем меньше расход цемента,
тем меньше площадь контактов, через которые на зерна заполни-
теля передается нагрузка, поэтому тем выше должна быть проч-
ность заполнителя для получения бетона требуемой прочности. Ис-
ходя из теоретических и экспериментальных исследований, пред-
ложена формула для определения минимально необходимой проч-
ности заполнителя:
/?Г'П= 1200 ,
Ц
238
где /?б — требуемый предел прочности крупнопористого бетона,
МПа; Ц — расход цемента на 1 м3 крупнопористого бетона, кг.
Согласно этой формуле, при расходе цемента 200 кг/м3 предел
прочности заполнителя должен быть больше предела прочности бе-
тона в 6 раз, при расходе цемента 100 кг/м3 — в 12 раз и т. д.
Если прочность заполнителя соответствует этому требованию, то
прочность крупнопористого бетона будет наибольшей и определя-
ется только расходом цемента и его активностью. Если прочность
заполнителя меньше, то и прочность крупнопористого бетона будет
ниже, причем в этом случае она будет зависеть от расхода цемента
(площади контактов) и прочности заполнителя.
9.5. СИЛИКАТНЫЙ БЕТОН
• Силикатные бетоны, главным образом мелкозернистые, получа-
ют из известково-песчаных смесей, твердеющих в автоклаве. Осо-
бенность таких бетонов в том, что песок в них является не только
заполнителем, но и компонентом известково-кремнеземистого вя-
жущего вещества. При высокотемпературной автоклавной обработ-
ке химическое взаимодействие извести и минералов песка обеспе-
чивает твердение бетона.
В результате взаимодействия извести с кварцем образуются гид-
рссиликаты кальция. Поэтому для автоклавных силикатных бето-
нов используют преимущественно кварцевые пески.
Содержание кремнезема в песке должно быть не менее 60%, а
желательно более 80% • Он может быть представлен не только
кварцем, но и аморфными разновидностями. Последние при этом
не представляют такой опасности, как в обычном цементном бетоне
(см. гл. 4, 5), поскольку после автоклавной обработки в бетоне не
остается свободных щелочей: они полностью связываются кремне-
земом.
Реакции с образованием цементирующих гидросиликатов каль-
ция идут при автоклавной обработке на поверхности зерен песка.
Поэтому стремятся к увеличению реагирующей поверхности, для
чего, как правило, часть песка размалывают или же добавляют к
нему мелкие фракции, отличающиеся повышенной удельной поверх-
ностью. В остальном требования к зерновому составу песка анало-
гичны вышеизложенным.
Форма зерен песка и степень их окатанности не имеют большо-
го значения. Если в цементном бетоне от формы зерен песка и ха-
рактера их поверхности зависит сцепление с цементным камнем,
то в автоклавном силикатном бетоне сцепление обеспечивается в
любом случае за счет химического взаимодействия.
Содержание в песке отмучиваемых, в том числе и глинистых,
примесей в ряде случаев может доходить до 10... 15%. Это объясня-
ется тем, что в условиях автоклавного твердения глинистые мине-
239
ралы также реагируют с гидроксидом кальция, образуя цементи-
рующие новообразования —гидросиликаты и гидроалюминаты
кальция.
Таким образом, некоторые природные кварцевые пески, не удо-
влетворяющие требованиям стандартов для обычного цементного
бетона, пригодны для получения автоклавного силикатного бетона.
Кроме природного песка используют золы и другие кремнезе-
мистые отходы промышленности.
9.6. ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН
• Ячеистый бетон — это особо легкий бетон с большим количест-
вом (до 85% от общего объема бетона) мелких и средних воздуш-
ных ячеек размером до 1... 1,5 мм.
Ячеистые бетоны могут быть автоклавные и безавтоклавные.
Для автоклавных важно химическое взаимодействие гидроксида
кальция с кремнеземом заполнителя, поэтому желательно примене-
ние заполнителя, богатого кварцем, особенно для получения бесце-
ментного пено- или газосиликата.
Для всех ячеистых пено- и газобетонов должны использоваться
мелкие природные или молотые пески, поскольку тяжелые крупные
зерна песка могут вызвать осадку пенобетонной массы, а также
помешать нормальному процессу вспучивания газобетонной массы.
Чем меньше заданная плотность ячеистого бетона, тем мельче дол-
жен быть заполнитель. Однако применение не слишком мелкого за-
полнителя улучшает структуру межпорового материала в ячеистом
бетоне и уменьшает усадочные деформации. Поэтому в каждом
случае подбирают оптимальный зерновой состав песка.
Как правило, песок для ячеистого бетона должен проходить пол-
ностью через сито с отверстиями 0,63 мм, лишь для ячеистого бе-
тона с плотностью более 800 кг/мм3 допускается песок крупностью
до 1,25 мм. Таким образом, при фракционировании природных пес-
ков (см. гл. 5) мелкая фракция может быть использована в каче-
стве заполнителя в ячеистых бетонах.
Помимо природных и молотых кварцевых песков используют
золы тепловых электростанций и другие заполнители.
9.7. ГИПСОБЕТОН
• Гипсобетон —быстротвердеющий бетон на основе гипсового вя-
жущего и заполнителей. Гипсовые вяжущие вещества имеют пло-
хое сцепление с кварцевыми и другими подобными природными за-
полнителями. Кроме того, такие заполнители тяжелы, тогда как
на основе гипса можно получить легкие тепло- и звукоизоляционные
бетоны.
240
Поэтому для гипсобетона применяют пористые заполнители___
природные (см. гл. 6) или искусственные (см. гл. 8) в виде щебня
и песка. Широкое применение в гипсобетоне нашли топливные шла-
ки, а также органические промышленные отходы — древесные опил-
ки, стружка и т. д. Содержащиеся в последних вещества, вредные
для цементного бетона (см. гл. 7), не представляют опасности для
гипсовых вяжущих веществ.
9.8. ЖАРОСТОЙКИЙ БЕТОН
• Жаростойкий бегон при длительном воздействии высоких тем-
ператур должен сохранять в заданных пределах свои физико-ме-
ханические свойства.
Дополнительные требования к заполнителям для жаростойких
бетонов состоят в следующем. Заполнители не должны разрушаться
или размягчаться при длительном воздействии высоких температур,
а также не должны вызывать появление больших внутренних на-
пряжений в бетоне при нагревании.
При температуре эксплуатации до 600... 800сС в качестве запол-
нителей могуг применяться бескварцевые горные породы (диорит,
андезит, базальт, диабаз), доменные шлаки, кирпичный бой, при-
родные пористые заполнители вулканического происхождения, ис-
кусственные пористые заполнители (аглопорит, керамзит, вспу-
ченные перлит и вермикулит, шлаковая пемза и т. п.).
Для эксплуатации при температуре до 1200... 1700°С жаростой-
кие бетоны готовят с использованием в качестве заполнителей дроб-
леного боя огнеупорных материалов (шамотный кирпич, обожжен-
ный каолин, магнезит, хромит, корунд и др.).
Кроме того, используют специальные искусственные заполните-
ли для жаростойких бетонов. Так, обжигом смеси огнеупорной гли-
ны и магнезита получают кордиерит — алюмосиликат магния, от-
личающийся огнеупорностью и очень малыми температурными де-
формациями в широком диапазоне температур.
В Латвийской ССР налажено производство легкого жаростой-
кого заполнителя фосфозита. Сырьем служат огнеупорная глина,
шамот и фосфатное связующее. Смесь гранулируют и обжигают во
вращающейся печи при температуре до 600°С. Получают гравий с
насыпной плотностью 500... 1100 кг/м3, пределом прочности при
сдавливании в цилиндре до 11 МПа, пригодный для бетонов с тем-
пературой эксплуатации до 1700°С.
Помимо крупного и мелкого заполнителей для жаростойких бе-
тонов необходимы тонкомолотые добавки (наполнители). Послед-
ние готовят помолом кирпичного или иного керамического боя, боя
шамотных и других огнеупоров (в частности, бывших в употреб-
лении, но очищенных от загрязнений), а также андезита и других
горных пород.
9—462
241
9.9. КИСЛОТО- И ЩЕЛОЧЕСТОЙКИЕ БЕТОНЫ
• Кислотостойкие (кислотоупорные) бетоны получают на основе
жидкого стекла или полимеров, в качестве заполнителей применя-
ют природный кварцевый песок, дробленый песок и щебень из кис-
лотостойких материалов и горных пород.
Кислотостойкость песка и щебня определяют по ГОСТ 473.1—81
кипячением измельченных проб в серной кислоте. Из горных пород
наиболее кислотостойки кварц, кварциты, кремнистые песчани-
ки, граниты (за исключением лишь некоторых разновидностей),
андезиты, бештаунит (разновидность трахита) и др. Весьма кис-
лотостойки некоторые керамические материалы, в частности агло-
порит из кислых (с большим содержанием SiO2) глинистых пород.
Тонкомолотые наполнители для кислотостойких бетонов полу-
чают из кварцевого песка, бештаунита, андезита, аглопорита
и т. д.
• Щелочестойкие бетоны получают на клинкерном портландцемен-
те без добавок активного кремнезема и соответствующих заполни-
телях. Они могут быть достаточно стойкими в щелочной среде. Ще-
лочестойкие заполнители получают дроблением на песок и щебень
карбонатных пород (известняка и мрамора), некоторых видов шла-
ков основного состава (отходов фосфорного производства и метал-
лургии), горной породы серпентинита (отхода асбестового произ-
водства) и т. д.
9.10. БЕТОН ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИАЦИИ
В связи с развитием ядерной энергетики и все более широким
использованием атомной энергии в научных исследованиях, про-
мышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении необходимо
обеспечить защиту обслуживающего персонала и окружающей тер-
ритории от опасных радиоактивных воздействий.
Естественные радиоактивные вещества и искусственно получае-
мые радиоактивные изотопы воздействуют на живую ткань посред-
ством испускаемых ими при распаде а-, £-, у-лучей и нейтронов.
а-Лучи (потоки ядер гелия) и 0-лучи (потоки электронов) обла-
дают сравнительно небольшой проникающей способностью. Зна-
чительно опаснее у-лучи, представляющие собой поток фотонов, и
нейтронное излучение. у-Лучи имеют скорость света и обладают
большой проникающей способностью. Закон ослабления у-излуче-
ния, проходящего через вещество, состоит в следующем: при по-
следовательном увеличении толщины слоя вещества на одну и ту
же величину интенсивность излучения уменьшается в одном и том
же определенном отношении. Так называемый слой половинного
ослабления уменьшает интенсивность излучения в 2 раза. Два та-
ких слоя ослабят излучение в 4 раза, и каждый последующий слой
будет дополнительно ослаблять излучение вдвое. Исходя из этого
242
(с учетом некоторых других факторов) рассчитывается толщина
защитного ограждения, необходимая для ослабления излучения
до допускаемой нормами интенсивности.
Толщина слоя половинного ослабления у-излучения зависит от
плотности вещества-поглотителя: чем тяжелее материал, тем мень-
ше толщина ограждения.
Незаряженные частицы нейтроны также обладают большой про-
никающей способностью. Не взаимодействуя с заряженными ча-
стицами атомов на расстоянии (как а- и 0-частицы), они замед-
ляются только при соударениях. Наибольший эффект поглощения
энергии нейтронов имеет место при соударении их с частицами
близкой к ним массы, например с ядрами водорода — протонами.
В этом случае энергия нейтрона распределяется примерно поровну
между двумя столкнувшимися частицами, т. е. нейтрон при каждом
соударении значительно тормозится. При соударении с тяжелыми
ядрами нейтрон отражается при сравнительно малой потере ско-
рости. Поэтому в отличие от у-иэлучения наибольшее замедление
нейтронов имеет место в веществах, содержащих легкие элементы,
особенно водород. Веществом-замедлителем может служить, в
частности, вода.
• Основным материалом для одновременной защиты от у- и нейт-
ронного излучения являются особо тяжелые и гидратные бетоны.
Поскольку гидраты, задерживающие поток нейтронов, содержатся
в цементном камне, основное назначение тяжелых заполнителей —
поглощение у-лучей.
В качестве заполнителей применяются барит, железные руды,
металлолом.
Барит — сернокислый барий (BaSO4)— весьма распространен-
ный в природе минерал белого цвета. Его плотность — около
4500 кг/м3, предел прочности при сжатии — около 50 МПа. Плот-
ность бетона на баритовом заполнителе достигает 3800 кг/м3.
Магнетит, или магнитный железняк,— слабоокисленная желез-
ная руда (Fe3O4) с плотностью около 4500... 5000 кг/м3 и пределом
прочности при сжатии до 200 МПа. Плотность бетона на песке и
щебне из магнетита составляет около 4000 кг/м3.
Гематитовые руды содержат красный железняк (Fe2O3). Плот-
ность гематита — до 4300 кг/м3, а бетона на его основе — до
3500 кг/м3.
Лимонит, или бурый железняк, содержит гидроксид железа
(2Fe2O3 • ЗН2О), т. е. может быть средством защиты как от у-лучей,
так и от нейтронов. Плотность лимонита — около 3500 кг/м3, лимо-
нитового бетона — 2600... 2800 кг/м3, т. е. лимонитовый бетон лишь
немного тяжелее обычного, однако связанной воды в нем может
быть вдвое больше.
Для получения особо тяжелых бетонов плотностью 5000...
7000 кг/м3 применяют чугун (плотность около 7500 кг/м3) в виде
дроби, крошки и скрапа (крупного лома), а также сталь (плотность
9* 243
около 7800 кг/м3) в виде обрезков, отходов от штамповки, дробле-
ной стружки.
Необходимо учитывать воздействие нейтронного излучения на
свойства заполнителей. Во-первых, при поглощении нейтронов яд-
рами атомов возможно вторичное у-излучение. Это особенно харак-
терно для железа. Поэтому железный лом и руды не всегда могут
быть использованы. В этом отношении предпочтителен барит, не
дающий вторичного у-излучения. Во-вторых, нейтроны при столк-
новении с ядрами атомов могут нарушить их равновесное положе-
ние в кристаллической решетке. При этом возможно изменение объ-
ема и свойств заполнителей. Например, при облучении кварца ней-
тронами происходит его аморфизация, сопровождающаяся значи-
тельным анизотропным расширением, что может привести к раз-
рушению бетона. Данное явление следует учитывать не только при
проектировании составов защитных бетонов, но также обычных кон-
струкционных, жаростойких и теплоизоляционных бетонов, приме-
няемых при строительстве ядерных установок.
Крупность заполнителей для защитных бетонов определяется
массивностью бетонируемой конструкции и принимается макси-
мально возможной. Зерновой состав заполнителей подбирают с та-
ким расчетом, чтобы как можно больше насытить бетон тяжелым
заполнителем; чем тяжелее получится бетон, тем меньшей может
быть толщина ограждения. В этом случае предпочтительны пре-
рывистые зерновые составы заполнителей, позволяющие получить
бетон наибольшей плотности.
Бетонные смеси на особо тяжелых заполнителях в значитель-
ной степени подвержены сегрегации, расслоению. Поэтому большое
значение имеет плотность и вязкость растворной части бетона. При
прерывистом зерновом составе заполнителя иногда применяют раз-
дельное бетонирование методом восходящего раствора.
9.11. ФИБРОБЕТОН
• Фибробетоном называют бетон со своеобразным заполнителем,
выполняющим роль дисперсной арматуры. В обычный или мелко-
зернистый бетон добавляют рубленое стекловолокно, стальные от-
резки длиной от 6 до 70 мм, диаметром от 0,25 до 1 мм и другие
подобные материалы. Прочность получаемого бетона резко возра-
стает, особенно при растяжении. Повышается трещиностойкость,
способность воспринимать ударную нагрузку.
В гл. 4 рассмотрено «армирование» бетона обычным заполните-
лем и проанализированы условия проявления «армирующего» эф-
фекта: достаточно высокая прочность заполнителя, хорошее сцеп-
ление его с цементным камнем и взаимная «перевязка». Эти усло-
вия остаются решающими и для фибробетона, причем по сравнению
с обычным заполнителем фибры (волокна) дают гораздо больший
эффект.
244
Однако применение такого заполнителя приводит к технологиче-
ским затруднениям в связи с опасностью комкования фибр, соби-
рания их в «ежи». В процессе перемешивания бетонной смеси фиб-
ры вводят постепенно, добиваясь их равномерного распределения
по всему объему.
Стекловолокно, используемое в цементном фнбробетоне, долж-
но быть щелочестойким.
9.12. ДЕКОРАТИВНЫЙ БЕТОН
• Декоративный бетон — выразительное и недорогое средство от-
делки строительных конструкций. Заполнители при этом играют ре-
шающую роль, поскольку именно их обнажение создает декоратив-
ный эффект.
Мозаичные (террацевые) полы получают шлифовкой затвердев-
шего декоративного бетона. Поверхности стен обрабатывают бу-
чардами, скалывая верхний слой и обнажая заполнитель в струк-
туре бетона. Для отделки фасадной поверхности стеновых пане-
лей практикуют неполное утапливание зерен декоративного запол-
нителя в фактурный слой; нанесение слоя декоративного
бетона с последующей, после схватывания, промывкой поверхно-
сти распыленной водой или слабым раствором соляной кислоты;
использование ослабляющих смазок или прокладок с растворами
веществ, замедляющих твердение цементного камня лицевого слоя
(животные клеи, сахаристые вещества, бура и др.) с последую-
щей, после пропаривания, очисткой лицевой поверхности от не-
затвердевшего цемента.
Во всех случаях стремятся к тому, чтобы обнаженный запол-
нитель занимал на лицевой поверхности наибольшую площадь.
Для этого целесообразно использовать заполнитель прерывистого
зернового состава из двух фракций, где размеры зерен отличают-
ся в несколько раз, причем фракция щебня желательна более уз-
кая, чем предусмотрено стандартом для обычных заполнителей,
например не 10... 20 мм, а 15... 20 мм.
Крупность зерен заполнителя на фоне цементного камня на-
значается в зависимости от желаемого декоративного эффекта и
расстояния, с которого отделываемая поверхность преимуществен-
но будет обозреваться. Цвет заполнителя подбирается в тон це-
ментному камню или контрастный. Применение различных цвет-
ных цементов, белого, а также обычного с добавкой пигментов
позволяет использовать с декоративным эффектом самые раз-
нообразные заполнители, в том числе обычный гравий и ще-
бень.
Широко используют щебень и крупный песок из красного, ро-
зового или серого гранита, из белого или желтого известняка, бе-
лого, черного, красного и иных цветов мрамора, пегматита и дру-
гих пород. Кроме того, декоративными заполнителями служат
245
дробленая керамика, цветное стекло (в виде боя или специально
получаемого эрклеза), иногда антрацит.
Можно получать специальные декоративные заполнители из
глинистого и иного сырья с окрашивающими добавками по техно-
логии производства керамзита или аглопорита, а также глазуро-
ванием гравия или щебня изверженных пород.
В качестве мелкого заполнителя в декоративном бетоне наряду
с дробленым можно использовать и природный чистый кварцевый
песок. При применении цветных цементов иногда из песка удаля-
ют мелкие фракции (до 0,16 или 0,315 мм), чтобы не уменьшалась
насыщенность, яркость цвета.
Общими требованиями к заполнителям для декоративных бе-
тонов являются стойкость в условиях эксплуатации и достаточное
сцепление с цементным камнем. Для террацевых бетонов заполни-
тели, кроме того, должны быть износостойкими и в то же время
хорошо поддающимися шлифовке (как, например, мрамор).
Многообразие бетонов, к которым в зависимости от назначения или
особенностей формирования структуры предъявляются специальные требо-
вания, определяет необходимость дифференцированного подхода при вы-
боре из богатого арсенала изученных заполнителей именно тех, которые
наилучшим образом соответствуют функциональной специфике.
1. В чем специфика гидротехнического и дорожного бетонов? Как она ска-
, зывается в особых требованиях к заполнителям? 2. Каковы особенности со-
четания заполнителей и наполнителей с битумом в составе асфальтобето-
на? 3. Какие заполнители дают возможность получать легкие бетоны раз-
личного назначения? 4. Какие функции выполняет кварцевый песок в соста-
ве автоклавных плотных и ячеистых силикатных бетонов? Какие требова-
ния к песку в связи с этим предъявляются? 5. Какие заполнители пред-
почтительны в гипсобетоне? 6. Какие заполнители применяют в жаростой-
ком, кислотостойком, щелочестойком бетонах? 7. Какие заполнители обес-
печивают в бетонах лучшую защиту от радиоактивных воздействий:
у-излучения и быстрых нейтронов? 8. В чем специфика волокнистого запол-
нителя (наполнителя) в фибробетоне? 9. Каковы основные принципы со-
здания заполнителями в бетоне декоративного эффекта?
Глава 10
ВОПРОСЫ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
Какой бы технический вопрос ни решал инженер,
приемлемость того или иного решения определится
его экономической эффективностью. Поэтому техни-
ческим расчетам всегда сопутствует экономический
анализ.
Анализ решений производится с учетом конкретных условий
производства, и критериями оптимальности наряду с экономией
денежных средств являются наибольшая производительность труда
и в ряде случаев сокращение объема перевозок. Последнее весьма
важно в связи с необходимостью высвобождения для нужд народ-
ного хозяйства транспортных средств, в особенности железнодо-
рожного транспорта.
• Экономия средств — очень важное требование в производстве и
применении заполнителей для бетона. Стоимость заполнителей со-
ставляет в среднем около половины всей стоимости бетона, а в
общих затратах на материалы для бетона доля заполнителей со-
ставляет в среднем 70% Таким образом, самой дорогой частью
бетонной смеси является не цемент, а заполнители — обычный
природный песок, гравий, щебень. Это нуждается в разъясне-
нии.
Во-первых, заполнителей для бетона потребляется больше, чем
цемента. За последние десятилетия, несмотря на то, что требова-
ния к прочности бетонов растут, расход цемента на 1 м3 бетона
в среднем снижается, а расход заполнителей соответственно воз-
растает. Это связано с совершенствованием технологии производ-
ства сборного железобетона, позволяющей формовать изделия из
жестких бетонных смесей, с повышением активности цемента и
с другими факторами.
Во-вторых, себестоимость заполнителей еще высока. Если в
снижении себестоимости цемента промышленность добилась боль-
ших успехов, то в снижении себестоимости заполнителей еще не
использованы огромные резервы.
247
10.1. ПРИРОДНЫЕ ПЕСОК. ГРАВИЙ
И ЩЕБЕНЬ
• Основной путь снижения себестоимости песка, гравия и щебня
состоит в концентрации их производства. На мелких предприятиях
себестоимость добываемых заполнителей значительно выше, чем
на крупных современных высокомеханизированных. Так, средняя
себестоимость 1 м3 щебня на предприятиях большой мощности (по-
рядка 1 млн. м3 в год) почти втрое меньше, чем на предприятиях
малой мощности (до 100 тыс. м3 в год).
• В добыче и переработке песка и гравия большим резервом сни-
жения себестоимости является широкое применение гидромеханизи-
рованного способа разработки карьеров, при котором по сравнению
с сухим способом повышается производительность труда в 3...
5 раз. При этом себестоимость продукции снижается в 2 раза и
более.
• Очень важно всегда комплексно использовать месторождения, не
допуская отходов. Так, при разработке песчано-гравийных место-
рождений помимо песка и гравия для бетонов могут добываться
попутно мелкий песок для штукатурных растворов, балласт для
дорожного строительства, камень и т. д. Щебень, получаемый
дроблением крупного гравия, как правило, обходится дешевле до-
бываемого из каменных пород.
На щебеночных заводах мелкая фракция- (высевки) часто не
используется и сбрасывается в отвалы. Между тем из этих «от-
ходов» можно получить хороший мелкий заполнитель — дробле-
ный песок, а также каменную муку. Последняя представляет со-
бой весьма ценный продукт. Она необходима для производства
асфальтобетона и битумных мастик (в качестве наполнителя) и
в ряде других производств. Каменная мука, получаемая попутно
при дроблении карбонатных пород, может быть использована в
сельском хозяйстве как минеральное удобрение. Полная реали-
зация всей продукции, включая побочную, приведет к снижению
себестоимости заполнителей.
• Себестоимость заполнителей в местах их потребления включает
транспортные расходы. В ряде районов страны они слишком велики:
заполнители перевозятся на расстояние до 1000 км. Себестоимость
привозимых заполнителей в местах применения иногда в несколь-
ко раз выше, чем в местах их производства. Велики и средние рас-
стояния перевозок (по данным А. А. Бардышева и др.— более
400 км).
Расстояния перевозок заполнителей к местам потребления
имеют тенденцию к увеличению. Это частично связано с концент-
рацией производства. Поэтому в каждом конкретном случае не-
обходимо подсчитать, что выгоднее: централизованная добыча
заполнителей в крупном, но отдаленном карьере (малая себестои-
мость в карьере, но большие транспортные расходы) или раз-
248
работка местных небольших месторождений (сравнительно вы-
сокая себестоимость в карьере, но малые транспортные рас-
ходы) .
10.2. ПОРИСТЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ
• Легкие пористые заполнители, добываемые на месте или искус-
ственно получаемые из местного сырья, могут быть дешевле при-
возных тяжелых заполнителей. В этом случае экономический эф-
фект от их применения очевиден. Поэтому рассмотрим другие пу-
ти получения экономического эффекта от использования пористых
заполнителей.
Если легкие бетоны на пористых заполнителях предназначены
для возведения наружных стен, то расчет их экономической эф-
фективности ведут исходя из стоимости 1 м2 стены с требуемыми
теплозащитными свойствами. Как правило, чем легче заполнитель,
тем меньше теплопроводность легкого бетона на его основе и,
следовательно, тем тоньше и дешевле может быть стена.
При использовании пористых заполнителей в конструкционных
бетонах, предназначенных для несущих конструкций, расчет эф-
фективности ведется иначе. Снижение массы конструкций откры-
вает следующие пути получения экономического эффекта: сокра-
щение затрат на транспорт; сокращение затрат на монтаж сборных
конструкций; укрупнение сборных элементов при том же крановом
оборудовании; уменьшение нагрузки на нижележащие конструк-
ции; увеличение полезной несущей способности конструкций; эко-
номия арматурной стали в изгибаемых конструкциях при сохра-
нении требуемой несущей способности и др. В среднем при умень-
шении плотности бетона на каждые 10% стоимость конструкций
снижается примерно на 3%-
Плотность высокопрочных легких бетонов—1700... 1800 кг/м3,
они на 25... 30 % легче обычных тяжелых бетонов. Однако высоко-
прочные легкие бетоны можно получить не на всех пористых за-
полнителях (см. гл. 4). Если для производства стеновых панелей
легкий керамзит лучше аглопорита, то в конструкционных бето-
нах, наоборот, значительно лучше аглопорит, поскольку его проч-
ность выше.
Повысить прочность керамзита можно уменьшением коэффи-
циента вспучивания, но при этом изменится себестоимость. Если
принять за 100% себестоимость 1 м3 керамзитового гравия с на-
сыпной плотностью 400 кг/м3, то при насыпной плотности 300 кг/м3
себестоимость уменьшится примерно на 20%, при 500 — возрастет
на 20%, при 600 — на 40%, а при насыпной плотности 700 кг/м3
себестоимость увеличится почти в 2 раза.
Чем тяжелее керамзит, тем дороже он обходится. Объясняется
это тем, что при одинаковых затратах на производство объем по-
лучаемой продукции тем меньше, чем меньше коэффициент вспу-
249
чивания, а раз меньше объем продукции, то на 1 м3 приходятся
большие удельные затраты.
Если сравнить аглопорит и равнопрочный (сопоставимой плот-
ности) керамзит, то себестоимость последнего примерно на 40%
выше. Поэтому производство и применение аглопорита для высо-
копрочных конструкционных бетонов более выгодно. Высокой эко-
номической эффективностью отличается только легкий, хорошо
вспученный керамзит.
В связи с этим при производстве керамзита и других искус-
ственных пористых заполнителей, получаемых вспучиванием, как
правило, оправдываются затраты на обогащение, усреднение, до-
полнительную переработку сырья, использование добавок и другие
технологические приемы, если это ведет к увеличению коэффициен-
та вспучивания.
Себестоимость искусственных пористых заполнителей может
быть снижена при увеличении мощности предприятий.
Концентрация производства на предприятиях большой мощно-
сти приводит к необходимости перевозки пористых заполнителей
к местам потребления. При радиусе перевозок до 200 км это, как
правило, экономически оправдано.
Проблему перевозки пористых заполнителей необходимо рас-
сматривать с учетом местных условий (железнодорожный или вод-
ный транспорт, степень его загруженности в данном направлении,
тарифы и т. д.). В некоторых случаях выгоднее перевозить не го-
товые пористые заполнители, а сырье для их производства. Это от-
носится к особо легким пористым заполнителям. Если из 1 м3
горной породы перлита или вермикулита при вспучивании
получается, например, 10 или даже 20 м3 заполнителя, то де-
шевле будет привезти сырье и вспучить его на месте потребле-
ния.
В развитии производства искусственных пористых заполните-
лей (см. гл. 8) до сих пор преобладала односторонняя ориентация
на расширение производства керамзитового гравия. В настоящее
время это не может быть оправдано. Во-первых, ощущается дефи-
цит кондиционного глинистого сырья, а, как указано выше, про-
изводство керамзита эффективно только на основе хорошо вспу-
чивающегося сырья. Во-вторых, производство керамзита сопряже-
но с большими затратами топлива, коэффициент использования
которого во вращающихся печах обычно не превышает 30%. Не-
которые возможности использования теплоты отходящих газов
вращающихся печей для термоподготовки сырцовых гранул все
же не снимают эту проблему. В-третьих, для производства искус-
ственных пористых заполнителей все еще мало применяются име-
ющиеся промышленные отходы, для переработки которых техно-
логия производства керамзита мало подходит.
Необходимо изменить сложившуюся структуру производства
искусственных пористых заполнителей за счет увеличения выпуска
250
шлаковой пемзы, аглопорита и других заполнителей преимущест-
венно из отходов промышленности, в том числе топливосодержа-
щих.
10.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ряд примеров в обоснование необходимости максимального
использования различных имеющихся отходов промышленности
приведен в гл. 7.
• Ориентация на первоочередное использование промышленных от-
ходов вытекает из следующих положений: неиспользование отходов
ведег к большим непроизводительным расходам на их удаление,
сооружение и содержание отвалов; под отвалами пропадают зна-
чительные площади земельных угодий; выбрасываемыми отходами
наносится ущерб окружающей среде; природные сырьевые ресур-
сы получения заполнителей ограничены; разработка новых место-
рождений природного сырья требует отторжения используемых зе-
мель, а их последующие восстановление и рекультивация связаны
с большими затратами (поэтому в некоторых странах в последнее
время расширяется подземная добыча сырья вместо разработки
карьеров открытым способом); промышленные отходы дешевле
природного сырья; часто они сразу пригодны для применения в
качестве заполнителей или после минимальной переработки; про-
изводство искусственных пористых заполнителей, базирующееся
на использовании промышленных отходов, экономически наибо-
лее выгодно.
Из всех искусственных пористых заполнителей самый деше-
вый— шлаковая пемза. В среднем ее себестоимость в 5 раз мень-
ше себестоимости керамзита. Для производства шлаковой пемзы
используется бесплатное сырье — доменный шлак, к тому же в
расплавленном состоянии, т. е. производство не нуждается в за-
тратах топлива. При этом снижается себестоимость основной ме-
таллургической продукции — чугуна и стали.
При производстве аглопорита из глинистых пород затраты на
добычу и перевозку сырья составляют около 20% себестоимости
продукции. Примерно столько же стоит добавляемый в шихту
уголь. Поэтому использование в качестве сырья для производства
аглопорита топливосодержащих отходов промышленности (отходов
добычи и обогащения углей, зол теплоэлектростанций) позволяет
соответственно снизить его себестоимость, повысить технико-эко-
номическую эффективность производства и применения.
10.4. ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ И ОБОГАЩЕНИЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ
• Работы по фракционированию и обогащению заполнителей — их
промывка, классификация по зерновому составу, плотности и
прочности — связаны с дополнительными затратами, приводящими
251
к удорожанию заполнителей. Эти затраты должны быть сопостав-
лены с получаемым экономическим эффектом от снижения расхода
цемента, повышения прочности бетона, его однородности и т. д.
Дополнительные затраты на фракционирование и обогащение
заполнителей с определенной надбавкой, обеспечивающей рента-
бельность производства и фонды материального стимулирования,
учтены в действующих ценах на заполнители.
Исследования и практический опыт показали, что при приме-
нении различных природных песков разница в расходах цемента
для получения бетона требуемой прочности с заданной удобоук-
ладываемостью бетонной смеси составляет 50... 100 кг на 1 м3 бе-
тона, а иногда и более, т. е. неблагоприятные зерновые составы
песка приводят к удорожанию 1 м3 бетона только за счет пере-
расхода цемента примерно на 2 руб. Если принять, что на 1 м3
бетона расходуется 0,5 м3 песка, то удорожание, отнесенное к объ-
ему песка, составляет около 4 руб/м3. Следовательно, дополни-
тельные затраты на улучшение качества песка, если они менее
4 руб/м3 и сводят расход цемента к минимуму, целесообразны.
Обогащенный песок дороже необогащенного примерно на
1 руб/м3. Потребитель, уплатив больше за песок, получает эко-
номию цемента и в результате экономический эффект — около
3 руб. на 1 м3 песка, или 1,5 руб. на 1 м3 бетона. Аналогично мож-
но рассчитать эффект от использования фракционированного песка:
хотя он дороже нефракционированного, в итоге получается эконо-
мия средств.
Рассмотрим еще один пример. Искусственный пористый запол-
нитель имеет насыпную плотность, колеблющуюся от 400 до
600 кг/м3. Он используется для производства панелей наружных
стен и междуэтажных перекрытий. Толщина наружных стен из
получаемого бетона по условиям теплозащиты — 35 см, а для по-
лучения бетона для панелей перекрытий на 1 м3 расходуется 400 кг
цемента.
Если этот заполнитель разделить в сепараторе на более легкий
(400... 500 кг/м3) и более плотный (500... 600 кг/м3), то, используя
первый для наружных стен, а второй для перекрытий, можно
уменьшить толщину стен на 5 см и на 1 м3 бетона перекрытий .эко-
номить около 100 кг цемента. Это дало бы экономический эффект
приблизительно 4 руб. на 1 м3 обогащаемого заполнителя, что в
несколько раз больше возможных дополнительных затрат на обо-
гащение.
Улучшение качества заполнителей и их наиболее рациональ-
ное применение в бетонах различного назначения обеспечивают
возможность повышения качества и снижения себестоимости бе-
тонных и железобетонных конструкций.
В конкретных производственных ситуациях перед инженером встанут
задачи миоговариантного перебора возможных технических решений для
выбора заполнителей, определения источников их получения, той или иной
252
технологии добычи, переработки, обогащения. Общий, интегральный кри-
терий оптимизации выбора — экономический, причем ие по промежуточным
результатам, а по конечному эффекту.
1 Что дороже е составе бетона: цемент или заполнители? 2. Как зависит
себестоимость природных заполнителей от мощности добывающих предприя-
тий? 3. Что выгоднее с учетом себестоимости добычи и транспортных рас-
ходов: централизованное производство заполнителей в крупном карьере или
разработка небольших месторождений вблизи мест потребления? 4. За счет
чего достигается экономический эффект при применении пористых заполни-
телей в легких бетонах стеновых конструкций? 5. В чем источники экономи-
ческого эффекта при использовании пористых заполнителей в производстве
несущих изгибаемых железобетонных конструкций? 6. В чем состоят основ-
ные резервы снижения себестоимости искусственных пористых заполните-
лей? 7. Чем обусловлена ориентация на использование для производства за-
полнителей разнообразных отходов других отраслей промышленности,
в том числе топливосодержащих? 8. Каким экономическим эффектом оп-
равдываются затраты на фракционирование и обогащение заполнителей?
Глава 11
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КУРСОВОМУ И ДИПЛОМНОМУ
ПРОЕКТИРОВАНИЮ
Учебное проектирование, используя и закрепляя ос-
новные положения теоретического курса, намечает
переход к решению конкретных практических задач,
характерных для будущей работы инженера. Много-
образие этих конкретных задач не исключает целе-
сообразности единого методологического подхода к
их решению, поэтому нижеследующие рекомендации носят общий
характер.
11.1. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Объект проектирования выбирают исходя из конкретной по-
требности в определенной продукции с учетом местных условий.
Не обязательно это должен быть новый объект, в ряде случаев
предпочтительна реконструкция и техническое перевооружение
действующего производства, направленные на повышение качества
продукции, снижение ее себестоимости, экономию материальных и
энергетических ресурсов, использование промышленных отходов и
охрану окружающей среды.
Цель и задачи проектирования должны быть всесторонне обо-
снованы. Для этого требуется анализ сведений о состоянии произ-
водства данной продукции, потребности в ней и ее перспективно-
сти. Указанный анализ нуждается в обобщении отечественного и
зарубежного опыта, а также научно технических разработок.
На данной стадии проектирования подлежат разработке 'сле-
дующие вопросы: номенклатура продукции, исходные сырьевые
материалы, режим работы предприятия. Затем выбирают и обос-
новывают способ и технологическую схему производства.
Режим работы следует принимать в соответствии с Общесоюз-
ными нормативами технологического проектирования (ОНТП)
предприятий данной отрасли.
Режим работы щебеночных и гравийно-песчаных заводов с экс-
каваторным способом разработки месторождения, как правило,
круглогодовой с числом рабочих дней 260, а песчаных и всех гид-
ромеханизированных заводов и цехов — сезонный, с числом рабо-
254
чих дней в году, устанавливаемым по климатическим данным рай-
она размещения предприятия (например, для центрального евро-
пейского района 170... 190 дней).
Суточный режим работы предприятия обычно принимают трех-
сменным (в отдельных случаях, при обосновании — двухсменным),
продолжительность смены — 8 ч.
Годовой фонд рабочего времени при трехсменном режиме оп-
ределяют за вычетом времени, необходимого для планово-преду-
предительных ремонтов.
Расчетный годовой фонд времени работы технологического обо-
рудования (ч), на основании которого рассчитывают производст-
венную мощность предприятия, определяют исходя из годового
фонда рабочего времени Т с учетом коэффициентов использования
оборудования во времени kK:
TK=TkK,
где /ги=0,86 и 0,90 соответственно для трехсменного и двухсмен-
ного режимов работы предприятий экскаваторным способом раз-
работки месторождений.
Для гидромеханизированных предприятий kK принимают в за-
висимости от содержания гравия (%) в гравийно-песчаной массе:
Содержание гравия, % До 5 5... 20 20... 40 40... 60
Коэффициент 0,70 0,65 0,60 0,52
Режим работы цехов искусственных пористых заполнителей
принимают непрерывным, круглогодовым, в три смены по 8 ч.
Годовой фонд рабочего времени по нормам — 8760 ч.
Коэффициенты использования основного обжигового оборудо-
вания во времени следующие:
0,92 — для вращающейся печи (2,5x40) и агрегата СМС-197;
0,86 — для двухбарабанной печи;
0,85 — для печи кипящего слоя (для керамзитового песка);
0,80 — для печей различной конструкции, используемых в произ-
водстве вспученного перлитового щебня и песка;
0,82 и 0,9 — для агломерационных машин.
Режим работы складов по отгрузке готовой продукции для всех
предприятий принимают круглогодовой, без выходных дней, как
правило трехсменный.
• Способ и технологическую схему производства обосновывают,
например, при проектировании цехов искусственных пористых за-
полнителей. Для предприятий нерудных строительных материалов
выбирают и обосновывают технологическую схему переработки
горных пород в зависимости от их типа, рассматривая при этом
255
принцип построения, стадийность дробления, поточность и струк-
туру схемы. Во всех случаях нужно учитывать качество исходного
сырья и требования, предъявляемые к готовой продукции.
Оптимальную схему технологического процесса производства
заполнителей данного вида предлагают на основании анализа ва-
риантов технологий, сравнения их достоинств по показателям ма-
териалоемкости, затрат топливно-энергетических ресурсов, каче-
ства готовой продукции и др. Предлагаемая технологическая схе-
ма должна обеспечивать возможность наибольшей автоматизации
и полной механизации производственного процесса.
Технологическая схема должна быть развита указанием основ-
ных операций и оборудования для их осуществления.
И.2. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ЛИНИИ И ОБОРУДОВАНИЯ
Учитывая специфику различных групп производств, дальней-
шие рекомендации по проектированию даны раздельно для двух
крупных групп предприятий.
11.2.1. Производство заполнителей из плотных и пористых гор-
ных пород (дробильно-сортировочные и гидромеханизированные за-
воды, цехи и установки).
• На основе принятой технологической схемы рассчитывают каче-
ственно-количественную схему с определением следующих показа-
телей:
выхода продуктов на отдельных операциях, % или доли еди-
ницы;
выхода готовой продукции, % или доли единицы;
производительности по исходной горной массе, т/ч и м3/ч.
• Исходными данными для расчета являются:
заданная производительность по готовой продукции;
гранулометрический состав исходной горной массы;
граничные крупности разделения для операций грохочения
(размеры отверстий сит) и классификации;
общие эффективности операций грохочения, классификации и
промывки (табл. 11.1);
размеры выпускных щелей дробилок, принятых в технологиче-
ской схеме;
характеристики крупности продуктов дробления (рис. 11.1...
Н.6);
средняя насыпная плотность исходного сырья и готовой про-
дукции, принимаемая ориентировочно по табл. 11.2;
расходы воды и влажность продуктов операций промывки,
классификации, обезвоживания, которые принимают в соответст-
вии с практическими данными или установленными нормами.
• Расчет качественно-количественной схемы основан на выполне-
нии условий материального баланса продуктов, поступающих на
256
Рис. III. Типовые характеристики крупно-
сти продуктов дробления в щековых дро-
билках с простым качанием щеки:
1 — изверженные породы; 2 — прочные известняки
(ост>60 МПа); А—суммарный выход верхнего
класса (полные остатки на снтах), %; d— круп-
ность классов; е — ширина разгрузочной щели
дробилки
Рис. 11.2. Типовая характерис-
тика крупности продуктов
дробления изверженных пород
и прочных известняков в щеко-
вых дробилках со сложным ка-
чанием щеки
Таблица 11.1. Общая эффективность технологических операций
Операция Тип рборудования Общая эффективность Е, %
Предварительное грохочение перед стадией дробления: Неподвижный колосниковый 60... 70
первой Инерционный грохот тяже- лого типа 70 ...85
второй Вибрационный грохот 85 ...90
Окончательное (товарное) Инерционный грохот 90 ...98
грохочение, грохочение в замк- нутом цикле с дробилками вто- рой и третьей стадий дробле- ния, промывка и обезвожива- ние Вибрационный грохот 90 ...98
Классификация Спиральный классификатор Гидравлический классифика- тор 60 ...70 60... 70
Промывка Корытные и вибрационные промывочные машины 85 ...90
257
Рис. 11.3. Типовые характеристики
крупности продуктов дробления из-
верженных пород и прочных извест-
няков в конусных дробилках:
1— КСД-1750ГР и КСД-2200Гр: 2 —
КСД-1750Т и КСД-2200Т; 3 — КМД-1750Гр
и КМД-2200Гр
Рис. 11.4. Типовые характеристики
крупности продуктов дробления в ко-
нусных дробилках КМД-1750Т и
КМД-2200Т:
1— изверженные породы; 2 — прочные из-
вестняки
Таблица 11.2. Расчетные значения насыпной плотности готовой продукции
в зависимости от типа перерабатываемой породы, т/м3
Материал Породы типа
скальные валуио-гравийно- песчаиые песчаные
I п ill IV-V IV-2
Исходная гор- ная масса Щебень крупно- стью, мм: 1,7... 1,8 1.7 1,5... 1.6 1,6 1.7 1,6
до 20 1,35... 1,45 1,3... 1,35 1,25... 1,3 1,35 ...1,4 1,4 ...1,45 —
40 1,45 ... 1.5 1,4... 1,45 1,3... 1,4 1,4 ... 1,45 1,6... 1,55 —
Гравий круп- ностью до 20 мм Песок: — — — 1Д 1,6 —
природный или обогащен- ный из отсевов дробления 1,45... 1,5 — — 1,6
операции и выходящих после нее. Расчет следует производить по
стадиям дробления с относящимися к ним операциями грохочения.
Выбор типа дробильного оборудования производят исходя из
того, что дробилки, устанавливаемые на последовательных стадиях
258
Рис. 11.5. Типовые характеристики крупности про-
дуктов дробления в однороторных дробилках круп-
ного дробления при значениях средневзвешенного
размера куска, мм:
/ — 12; 2 — 22; 3 — 33; -< — 46; 5 — 70; 6 — 95; 7 — 132; d —
размер отверстий сит; А — полные остатки иа ситах
дробления, должны быть увязаны между собой по производитель-
ности и размеру куска в питании и продуктах дробления (раз-
грузки). Наибольший размер куска, выходящий из предыдущей
дробилки, не должен превышать допустимую крупность в питании
последующей дробилки.
Размер наибольшего куска продукта дробления в щековой дро-
билке должен быть не более 1,7е для дробилок ЩДП и 1,5е — для
дробилок ЩДС (е — ширина разгрузочной щели).
При дроблении пород в конусных дробилках среднего и мел-
кого дробления при максимальных разгрузочных щелях коэффи-
циент закрупнения продукта дробления (k=s95/e, где S95 — размер
квадратной ячейки сита, через которую проходит 95% продукта
дробления) должен быть не более 2,6 для КДС и 3,8 для КМД.
Крупность материала, отбираемого на предварительном гро-
хочении, рекомендуется принимать: для первой стадии дробле-
ния— близкой к ширине разгрузочного отверстия дробилок, для
второй и третьей стадий — равной наибольшей крупности полу-
чаемых продуктов.
Циркуляционную нагрузку на замкнутом цикле дробления оп-
ределяют по формуле
Тц=тд(1-₽7^)/(₽7^).
где уд — выход продукта, поступающего на дробление с предыду-
щей операции; — относительное содержание готового продук-
та крупностью меньше d в продукте дробления дробилки, работаю-
259
Рис. 11.6. Типовые характеристики крупности про-
дуктов дробления в однороторных дробилках мел-
кого (а) и среднего (б) дробления при наиболь-
шей крупности кусков, мм:
/ — 10; 2—15; 3 — 20; 4 — 30; 5 — 40; 5 — 50. 7 — 60; 3 —
70; S —80
щей в замкнутом цикле; Е — эффективность операции поверочного
грохочения после данной операции дробления.
При переработке неоднородных карбонатных пород (типа III)
с применением избирательного дробления определяется извлече-
ние прочных пород в отдельный класс крупности:
£лр^— У^Рпр/Рпр.исх I
где V1 — выход продукта крупностью d; 0npd — относительное со-
держание в продукте крупностью d прочных пород; 0dDP.Hcx — со-
держание прочных пород крупностью d в исходном материале, по-
ступающем на операцию.
Последовательные расчеты выходов продуктов на каждой опе-
рации завершаются определением выходов готовой продукции по
технологической схеме и вычислением производительности по ис-
ходной горной массе (м3/год и т/год):
^исх СготРгот/ (УготРисх ) ,
Q«cx = QrOTPror/Yгот>
260
где Qroi — заданная производительность по готовой продукции,
м3/год; уГОт — расчетный выход готовой продукции, доли единицы;
рнгот — средняя насыпная плотность готовой продукции, т/м3;
р“исх — средняя насыпная плотность исходной горной массы, т/м3.
Для последующих расчетов оборудования определяют часовую
производительность Qn (т/ч) по продуктам переработки на каж-
дой операции:
Зп=УпСИСх/Лр
где уп — выход п-го продукта, доли единицы; QHCX— производи-
тельность по исходной горной массе, т/ч; Ти — годовой фонд ра-
бочего времени оборудования, ч.
Значения уп (%) и Qn (т/ч) записывают у соответствующих
продуктов переработки на технологической схеме.
• Расчет производственной программы, материального баланса и
производительности предприятия по исходной горной массе и гото-
вой продукции производят в соответствии с параметрами качест-
венно-количественной схемы, заданной производительностью и ус-
тановленным режимом работы предприятия.
Заданную производительность щебеночного предприятия по го-
товой продукции определяют производительностью дробилки круп-
ного дробления (первая стадия дробления), а гравийно-песчаного
предприятия — производительностью дробилки мелкого дробления
(последняя стадия дробления).
• Выбор и расчет основного технологического оборудования произ-
водят в соответствии с принятой технологической схемой по наи-
большей часовой нагрузке на технологические операции доп. Эту
нагрузку устанавливают по данным качественно-количественной
схемы с учетом коэффициента неравномерности подачи материа-
л a kn.
Q on Q./’h'
Значения коэффициента kn принимают 1,06... 1,15 в зависимости
от мощности предприятия; при подаче материала из промежуточ-
ных бункеров йн=1.
Количество единиц принимаемого к установке оборудования
или коэффициент его загрузки определяют отношением
?on/Q,
где Q — расчетная производительность оборудования, т/ч или м3/ч.
Производительность дробильного оборудования и вибрацион-
ных грохотов определяют расчетом по формулам, приведенным
в § 5.3 и 5.4.
При известной производительности операции грохочения, при-
веденной в качественно-количественной схеме, расчетом опреде-
ляют необходимую площадь сита по формуле, приведенной в § 5.3.
261
Другое оборудование, предусмотренное технологической схе-
мой, выбирают и рассчитывают по справочной литературе.
Установленные подбором и расчетом типы и количество единиц
технологического и транспортного оборудования (в том числе
приемные и промежуточные бункера), расположенные в последо-
вательности операций переработки, составляют схему цепи аппа-
ратов технологической линии.
• Схема цепи аппаратов является основой для компоновки обору-
дования на производственной площади. Расчетная площадь для
размещения основного технологического оборудования приведена
в приложении 1.
• Расчет складов готовой продукции для заводов с круглогодовым
режимом работы и отгрузки производят исходя из производитель-
ности завода и допустимой неравномерности подачи транспорта
под погрузку продукции. Необходимая вместимость складов (м3)
VCKJ,=Qnn^/365,
где Qn — годовая производительность завода по выпуску вида про-
дукции (щебень, гравий, песок), м3; п — продолжительность хра-
нения, сут; п=6... 8 сут в зависимости от мощности предприятия;
k — поправочный коэффициент:
Qn, тыс. м3 150. .500 600 . .800 1000. . 1300 Более 1300
k 2,0. . 1,8 1,6. .1,5 1,4. . 1,3 1,3... 1,1
Вместимость складов готовой продукции для заводов с сезон-
ным режимом работы и круглогодовой отгрузкой (отдельно для
каждого вида продукции) с учетом неравномерности потребления
заполнителей в течение года составляет
УСКЛ=С„Р(365-Г)/365,
где р — коэффициент потребления продукции в течение года, доли
единицы; при отсутствии данных об условиях потребления р=0,6;
Т — продолжительность сезона работы, сут.
11.2.2. Производство искусственных пористых заполнителей. Тех-
нологические расчеты при проектировании предприятий и цехов
искусственных пористых заполнителей, производимых посредством
обжига сырья, производят в два этапа. Сначала выбирают и обо-
сновывают расчетом мощность обжиговых агрегатов, а затем на
основе расчета расхода сырья и материального баланса устанав-
ливают состав и производительность технологических линий, об-
служивающих обжиговые агрегаты.
9 Мощность предприятия Мп определяют мощностями обжиговых
агрегатов Мов:
262
Mn~nMo(i,
где n — количество обжиговых агрегатов.
Производственную мощность обжигового агрегата (м3/год) рас-
считывают в зависимости от средней насыпной плотности готовой
продукции:
Mo6=Q„T^
где Qn — часовая паспортная производительность агрегата при со-
ответствующей насыпной плотности получаемого заполнителя, м3,
принимают по табл. 11.3; Ти—расчетный годовой фонд времени ра-
боты оборудования, ч, принимают в соответствии с режимом ра-
боты предприятия; ko — объемный коэффициент выхода продукции
в зависимости от ее марки для керамзита и его разновидностей,
принимается по табл. 11.4.
Таблица 11.3. Производительность обжиговых агрегатов
Характеристика заполнителя Обжиговый агрегат Произво- дительность, м3/ч
Гравии керамзитовый Печь вращающаяся 02,5X40 10.8
М500 Песок: Агрегат обжиговый СМС-197 То же, двухбарабанный: 02,5X 20+ 03,6 X 24 03X24+04,5X24 12,4 13,3 25,0
керамзитовый М600 Печь кипящего слоя СМС-139 6,7
перлитовый вспученный М100 Печи вертикальные СМТ-177 с печью термоподготовки СМТ-178 и ПУВ НИИСМИ 15,0
Щебень перлитовый вспу- ченный М500 Щебень н песок аглопо- Печь вращающаяся СМТ-179 с пе- чью термоподготовкн СМТ-178; печь кипящего слоя Агломерационные машины: 3,5
ритовые М700 (из суглин- ков и углсотходов) Аглопоритовый гравий нз СМС-117 и СМ 96 размером 1,5X40 СМС-214 размером 2,5X60 Агломерационные машины: 14,0 56,0
золы М800 СМС-117 (без охладителя) АКМ-105 размером 2,5X42 21,0 76,0
Мощность (м3/ч) предприятий или установок по производству
шлаковой пемзы из расплава, подаваемого шлаковозными ковша-
ми, равна
Л4П ^ТлУМгйзРр/СП’н).
где Т —годовой фонд рабочего времени, ч; п-—количество шлако-
возных ковшей в одном составе (обычно 8... 10); V — вместимость
чаши шлаковозного ковша, У=16,5 м3; kt — коэффициент запол-
нения чаши ковша расплавом, ki — 0,80... 0,85; k2— коэффициент
263
опорожнения чаши, fe=0,70... 0,75; А3 — коэффициент, учитываю-
щий технологические потери, k3= (0,97... 0,99); рр— плотность
расплава, т/м3; т — периодичность поступления шлаковозных ков-
шей, ч; рн — средняя насыпная плотность шлаковой пемзы, т/м3.
• Расчет производительности по переделам производства, подгото-
вительно-формовочных линий и складов готовой продукции произ-
водят на основе следующих исходных данных:
Таблица 11.4. Объемный коэффициент выхода продукции в зависимости
от ее марки
Марка заполнителя Производство Марка заполнителя Производство
керамзи- тового гравия и его разновид- ностей керамзито- вого песка в печах кипящего слоя керамзито- вого гравия и его разно- видностей керамзито- вого песка в печах кипящего слоя
300 1,25 600 0,86 1,00
350 1,21 700 0,69 0,85
400 1,15 —-. 800 0,63 0,75
450 1,10 —- 900 — 0,65
500 1,00 1,20 1000 — 0,60
550 0,95 —
годовой производительности по готовой продукции;
норм потерь по переделам;
влажности сырьевых материалов и полуфабрикатов;
потерь массы при прокаливании;
состава шихты с учетом вводимых добавок.
Расчеты исходного сырья, полуфабриката и готовой продукции
производят в порядке, обратном технологическому процессу, с оп-
ределением производительности соответствующего передела на
выходе и входе. За исходную величину принимают выход готовой
продукции, поступающей на склад (заданная годовая производи-
тельность).
Для расчета используют формулу определения удельного рас-
хода сырья Н (т/м3)
П.П.П
1 100
Ри
100
Пт
100
где рн — средняя насыпная плотность заполнителя, т/м3; п.п.п.—
потери массы при прокаливании, %; к>0 — влажность сырья, по-
ступающего в производство, %; 77т — технологические потери
сырья, %.
При производстве керамзита потери сырья согласно нормам
принимаются: при транспортировании — 1%; при сушке — 2; при
обжиге — 2 %.
264
При использовании добавок рвердых и жидких) и опудриваю-
щих порошков их расходы рассчитывают для соответствующих
переделов.
Производительность (т/ч или м3/ч) технологической линии по
переработке сырья и подготовке гранул (зерен) к обжигу равна
Q=QnMr>
где Qn — паспортная производительность наименее производитель-
ного оборудования технологической линии, т/ч или м3/ч; k„ — ко-
эффициент использования оборудования; ka= (Tv—^Tn)/Tp-, Тр —
количество рабочих дней в году в соответствии с установленным
режимом; Тл — наибольшая нормативная длительность простоя
оборудования в год на ремонте и техническом обслуживании, сут;
kr — коэффициент готовности, учитывающий устранение случайных
отказов оборудования, рассчитывают с учетом насыщенности тех-
нологической линии оборудованием; ftr=ferlfe,.2.../ггп.
Для отдельных видов основного оборудования йг=0,96... 0,98;
проектное решение должно обеспечивать значение kr не менее 0,76.
Количество принимаемых к установке линий, обеспечивающих
бесперебойную работу обжиговых агрегатов,
n==C/Q,
где С — потребность в сырье, т/ч или м3/ч.
Величину п округляют до большего целого числа.
Вместимость промежуточных складов и бункеров рассчитыва-
ют в соответствии с нормами запаса, обеспечивающими установ-
ленную продолжительность питания технологического оборудова-
ния.
Вместимость (м3) склада готовой продукции (силосных банок
или бункеров) для пофракционного хранения заполнителей
^Лфр QcyT^xp/^запэ
где QcyT — суточная производительность заполнителя определенной
фракции, м3; 7\р — нормативный запас хранения, принимают от 3
до 5 сут; k3aa — коэффициент заполнения емкостей, &3ап=0,8.
• Компоновка оборудования по технологическим переделам (отде-
лениям) должна обеспечивать поточность производства.
Технологические линии по переработке шихты, формовке и суш-
ке гранул размещают в унифицированных пролетах промышлен-
ных зданий шириной 12, 18 или 24 м; длину пролетов определяют
набором оборудования в линии в зависимости от свойств сырья.
Оборудование следует располагать либо на самостоятельных
фундаментах, либо на встроенных этажерках, не связанных с кон-
струкциями здания.
Расположение отдельных агрегатов и машин должно учиты-
вать применение наименьшего количества пересыпных и транс-
портных устройств с наименьшей их протяженностью.
265
Обжиговые агрегаты для производства керамзита размещаются
на открытой площадке, за исключением откатной головки, кото-
рая должна находиться в помещении.
11.3. ДРУГИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
К общим для всех производств вопросам технологического про-
ектирования относятся также организация технологического кон-
троля, охрана труда и окружающей среды, определение основных
технико-экономических показателей производства и сравнение их
с показателями аналогичных действующих или запроектирован-
ных предприятий.
• Технологический контроль включает:
1) входной контроль качества сырьевых материалов, их соот-
ветствие государственным стандартам, техническим условиям или
другим критериям в соответствии с технологическим регламентом
данного производства;
2) операционный контроль технологического процесса на всех
его переделах, имеющий целью соблюдение установленных режи-
мов и параметров, своевременное выявление отклонений от них
для оперативного регулирования технологического процесса;
3) приемочный контроль готовой продукции на предмет ее со-
ответствия государственным стандартам по установленным пока-
зателям качества.
• Охрана труда на стадии проектирования состоит в разработке
мероприятий, обеспечивающих создание надлежащих санитарно-
гигиенических и безопасных условий труда производственного
персонала. В круг этих мероприятий входят решения, касающиеся
аспирации и обеспыливания, шумопонижения, нормализации тем-
пературно-влажностного режима, предотвращения опасных и
вредных воздействий производственных факторов.
ф Охрана окружающей среды предусматривает мероприятия, на-
правленные на недопущение ухудшения окружающей среды от ра-
боты проектируемого предприятия. Сюда входят очистка отходя-
щих газов печей и других агрегатов от пыли и иных вредных ве-
ществ, очистка шламосодержащего стока, осветление вод и орга-
низация оборотного водообеспечения, рекультивация земель по
завершении разработки карьеров и другие решения, вытекающие
из специфики данного производства.
ф Основные технико-экономические показатели производства оп-
ределяют по завершении описанных выше расчетов.
ф Численность основных производственных, дежурных и вспомога-
тельных рабочих, должностной состав ИТР и служащих определя-
ют, руководствуясь нормами технологического проектирования со-
ответствующей отрасли промышленности строительных материалов
и типовыми проектами предприятий.
266
Явочную численность основных производственных рабочих ус-
танавливают исходя из принятого режима работы, расстановки
рабочих по местам и организации технологического процесса в со-
ответствии с техническими решениями.
Фонд времени для рабочих основного и вспомогательного про-
изводства принимают 230 рабочих дней, или 1840 ч в году.
Коэффициент перехода от явочной численности к списочной
принимают в зависимости от режима работы (табл. 11.5).
Таблица 115 Зависимость коэффициента перехода
от режима работы
Режим работы Количество рабочих дней в году Коэффициент перехода
Непрерывный 365 1,59
Прерывный 305 1,33
» 260 1,13
Для гидромеханизированных предприятий, работающих сезон-
но, этот коэффициент равен 1,44 при непрерывной рабочей неде-
ле и 1,04 — при прерывной.
• Расходы электроэнергии, топлива, воды и вспомогательных ма-
териалов па технологические нужды следует определять по соответ-
ствующим удельным показателям, приведенным в нормах. Нормы
расхода электроэнергии и топлива в производстве искусственных
пористых заполнителей приведены в прилож. 2.
Расходы воды следует указывать, например, для промывки
плотных заполнителей, при переработке горной массы на гидро-
механизированных установках, в производстве шлаковой пемзы.
К вспомогательным материалам относят, например, смазку и бро-
ню для дробилок.
• Технико-экономическую эффективность проектных решений оце-
нивают на основании расчета следующих основных показателей:
удельный расход сырья устанавливают в результате расчета ка-
чественно-количественной схемы или материального баланса пред-
приятия; трудоемкость выработки единицы продукции определяют
как частное от деления годового количества человеко-часов, отра-
ботанных производственными рабочими (по штатной ведомости),
на годовой выпуск готовой продукции; производительность труда
характеризуют количеством продукции, приходящимся в год на од-
ного списочного рабочего; энерговооруженность определяют сум-
марной мощностью электродвигателей технологического и транс-
портного оборудования, приходящейся на одного производственно-
го рабочего; съем продукции с 1 м2 производственной площади
характеризует компоновочные решения с точки зрения использо-
вания площадей производственных помещений или территории
промышленных площадок для установок, размещаемых на откры-
том воздухе.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Расчетная площадь * (м2) для размещения
единицы технологического оборудования:
Дробилки щековые:
ЩДС-П-6Х9 40
ЩДП-9Х12 80
ЩДП-12Х15 Ч»
Ш.ДП-15Х21 130
Дробилки конусные среднего и мелкого дробления:
КСД и КМД-!200Гр н Т 35
КСД и КМД-1750Гр н Т 55
КСД н КМД-2200Гр н Т '0
Дробилки роторные крупного дробления:
ДРК-16Х12 40
ДРК-20Х16 «О
Дробилки роторные среднего н мелкого дробления:
ДРС-10ХЮ ' 35
ДРС-12Х12 45
Грохоты:
ГИС-52 35
ГИС-62 45
ГИС-72 60
ГИТ-41 30
ГИТ-52 Н 35
Классификаторы спиральные:
1-КСН 12 35
1-КСИ 15 40
1-КСН-20 60
1-КСН-24 70
1-КСН-24Б 114
1-КСН-30 126
2-КСН-24 135
2-КСН-24А 162
2-КСИ-ЗО 180
Гидроклассификаторы:
ГКХ-80 25
ГКХ-200 36
Гидрогрохоты конические диаметром, м:
2,5 25
3 30
Гидроцнклоны 36
• Рабочая площадь размещения оборудования определена с учетом его габаритных
размеров, установки загрузочных и разгрузочных воронок, а также рабочих проходов для
обслуживания.
268
Продолжение приложения I
Тонкослойные сгустители типа «ТКС» 49
Пневматические классификаторы СМД-160 30
Мойки корытные 90
Мойки вибрационные СМД-158 30
Маслостанцин жидкой смазки конусных дробилок:
УС-63 35
УС-125 45
Приложение 2. Энергетические затраты при производстве
заполнителей
Таблица 1. Нормы расхода электроэнергии на единицу готовой продукции
(по ОНТП 18—85) в зависимости от вида производства, его мощности и способа
добычи сырья
Мощность завода, тыс. м3 в год Расход электроэнергии, кВт-ч/м3, для заводов
щебеночных гравийно-песча- ных гравнйио-песча- иых песчаных
Экскаваторный способ добычи сырья Гидромеханизироваиный способ добычи сырья
400 ... 500 600 ... 900 1000 ... 1400 2000 ... 2800 9,5... 7,4 9,6... 7,5 9,0... 7,0 8,5... 6,5 6,5* 7,5* 4*» 3** 2** 1**
* Показатели даны для завода мощностью соответственно 1600 и 2600 тыс. м3; •• то же,
600 и 1200 тыс. м3 в год.
Таблица 2. Нормы расхода электроэнергии на технологические нужды
(по ОНТП 11—86)
Способ подготовки сырья Вид топлива Расход электроэнергии, кВт • ч/м3, * прн производстве
Керамзит М500 Шунгизит М600 керамзитового песка М600
Отдельное производство керамзито- вого песка Совместное производство керамзито- вого гравия и песка
f Пластический Газ 32 65 53
Мазут 33 — —
Сухой Газ 27 28 46 40
х> Мазут 28 29 — —
* Показатели расхода электроэнергии при производстве других видов искусственных
пористых заполнителей, кВт-ч/м3: аглопорита — 25 ... 30; шлаковой пемзы—-5, 6; вспучен-
ных перлитовых щебня и песка — 15,4; термолита — 13,5 ... 14,6.
269
Таблица 3. Расход условного топлива на технологические нужды
(по ОНТП 11—86)
Тип обжигового агрегата., вид производства Расход условного топлива, кг/м8, при производстве
керамзита М500 шунгизита М500 керамзитового песка М600
Способ подготовки
пласти- ческий сухой сухой пласти- ческий сухой
1 2 3 4 5 6
Печь вращающаяся 02,5 X40 м Агрегат обжиговый Отдельное производство ке- рамзитового песка Совместное производство пес- ка в печах кипящего слоя, ке- рамзитового гравия в обжиго- вом агрегате или в печах 02,5X40 90 95 88 62 88 107 86 88 83
Примечания: 1. Нормативы даны с учетом использования теплоты от-
ходящих газов от печи или обжигового агрегата.
2. Расход условного топлива в зависимости от марки продукции
Qy ‘ Фтабл/^о»
где kv принимают по табл. 11.4.
3. Показатели расхода условного топлива прн производстве других видов ис-
кусственных пористых заполнителей (кг усл. топл./м3): аглопорита — 86 ... 89;
вспученных перлитовых щебня и песка — 33 ... 34; термолита — 96 ... 98.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Подошло к концу изложение курса. Каким авторы учебника
видят студента' на этом этапе обучения? Что он должен знать, чему
научился?
Главное — это знание основ технологии производства и приме-
нения разнообразных по свойствам заполнителей для бетонов раз-
личного назначения. Для получения какого бетона какой требуется
заполнитель, для производства какого заполнителя какое требу-
ется сырье, как это сырье добыть и как переработать, чтобы по-
лучить заполнитель с требуемыми свойствами — вот основные воп-
росы, которые призван решать специалист.
Сырьевая база производства заполнителей весьма широка.
Специалиста отличает ориентация в вопросах профессиональной
оценки и разработки месторождений природного сырья, способ-
ность к изысканию источников местного сырья, чтобы по возмож-
ности избежать его дальних перевозок, эрудиция в отношении воз-
можного использования имеющихся промышленных отходов. По-
следняя проблема приобретает такую важность, что продолжаю-
щееся неиспользование ряда промышленных отходов мы, строите-
ли-технологи, должны считать своей недоработкой.
Особое внимание привлекают вопросы качества заполнителей,
обеспечиваемого не только рациональной технологией основных
переделов их производства, но и современными способами после-
дующего обогащения с повышением однородности заполнителей
как одного из важнейших показателей их качества.
Наконец, авторы надеются, что экономическое мышление, про-
низывающее многие страницы книги, воспринято студентами, и
каждое техническое решение, каждый технологический прием они
смогут экономически обосновать. А экономическое обоснование —
это в заданных условиях достижение поставленной цели с наи-
меньшими затратами.
В книге описано несколько десятков различных заполнителей
и соответствующие им технологии. При этом авторы не ставили
перед собой цель исчерпывающе описать все, тем более, что про-
мышленность развивается, научные изыскания ведут к новым ре-
шениям, рассматриваемая тема находится в движении. Наряду с
технологиями, освоенными нашей промышленностью, даны сведе-
ния о научных разработках ряда институтов и организаций раз-
личных регионов страны, частично освещен зарубежный опыт.
Для более глубокого изучения тех или иных заполнителей и
технологий студентам рекомендована специальная литература. Не-
пременным условием дальнейшего творческого роста специалиста
является его самосовершенствование, самостоятельная работа, сти-
мулируемая интересом к избранной специальности.
271
ЛИТЕРАТУРА
Ахвердов И. И. Основы физики бетона. М., 1981.
Баженов Ю. М. Технология бетона. М., 1987.
Баженов Ю. М., Комар А. Г., Сулименко Л. М. Технология бетонных
и железобетонных изделий. М., ’1984.
Боженов П. И. Технология автоклавных материалов. М., 1978.
Бурлаков Г. С. Технология изделий нз легкого бетона. М., 1986.
Виноградов Б. Н. Влияние заполнителей на свойства бетона. М., 1979.
Дворкин Л. И., Пашков И. А. Строительные материалы из промышлен-
ных отходов. Киев, 1980.
Довжик В. Г., Дорф В. А., Петров В. П. Технология высокопрочного керам-
зитобетона. М., 1976.
Иванов И. А. Технология легких бетонов на искусственных пористых за-
полнителях. М., 1974.
Искусственные пористые заполнители и легкие бетоны на их основе. Справоч-
ное пособие/Под ред. Ю. П. Горлова. М., 1987.
Ицкович С. М. Крупнопористый бетон. М., 1977.
Ицкович С. М. Заполнители для бетона. Минск, 1983.
Маилян Р. Л. Бетон на карбонатных заполнителях. Ростов-на-Дону, 1967.
Нисневич М. Л. Стандартизация нерудных строительных материалов. М.,
1975.
Нормы технологического проектирования предприятий промышленности не-
рудных строительных материалов. Л., 1977.
Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий и цехов
по производству керамзитового гравия и песка / ОНТП-11—86 Миистроймате-
риалов СССР. М., 1986.
Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий неруд-
ных строительных материалов / ОНТП-18—85. Минстройматериалов СССР. Л.,
1987.
Олюлин В. В. Переработка нерудных строительных материалов. М., 1988.
Онацкий С. П. Производство керамзита. М., 1987.
Процессы и аппараты в технологии строительных материалов / И. М. Борщ,
В. А. Вознесенский, В. 3. Мухин и др. Киев, 1981.
Роговой М. И. Технология искусственных пористых заполнителей и керами-
ки. М., 1974.
Рыбьев И. А. Строительные материалы на основе вяжущих веществ. М., 1978.
Симонов М. 3. Основы технологии легких бетонов. М., 1973.
Состав, структура и свойства цементных бетонов / Г. И. Горчаков,
Л. П. Орентлихер, В. И. Савин и др. М., 1976.
Справочник по добыче и переработке нерудных строительных материалов /
Под ред. В. Я. Валюженича. Л., 1975.
Троицкий В. В. Обогащение нерудных строительных материалов. Л„ 1986.
Шлаин И. Б. Разработка месторождений нерудного сырья. М., 1985.
Элинзон М. П., Васильков С. Г. Топливосодержащие отходы промышленно-
сти в производстве строительных материалов. М., 1980.
Элинзон М. П. Производство искусственных пористых заполнителей. М., 1974,
Проект- ОТКРЫТЫЙ ДОСТУП
Над оцифровкой данной книги работали:
Ружинский С.И. rygmskifaiaport.ги
Ружинский Ю.И.
Раенко А.С.
август 2005, г. Харьков, Украина
г.Харьков, ул. Чкалова 1
МП «Городок»
Популяризация применения химических добавок и оригинальных технологий в строительной индустрии.
ryginski@aport.ru
+38(057)315-32-63
Здесь может быть Ваша реклама!
Закажи книгу по бетоноведению или строительству на оцифровку и размести в ней свою рекламу.
Дополнительная информация: ryginski@aport.ru