книги / Производство керамзита

щается в мелочь и пыль, поэтому использовать его для производства керамзита по сухому способу нельзя.

Пластичные глины и суглинки распространены наи­ более широко. Они отличаются различными пластично­ стью, вязкостью, липкостью и влажностью в природном состоянии, хорошо перерабатываются пластическим спо­ собом. При этом однородное по составу сырье требует лишь грануляции, т. е. формования гранул, а неодно­ родное — разрушения природной структуры и гомоге­ низации. В воде эти глины размокают, но сравнительно медленно, образуя пластичное тесто. Отдельная разно­ видность таких глин — пастообразные глины, отличаю­ щиеся повышенной влажностью. Из таких глин легко приготовляют шлам, из которого во вращающейся печи самопроизвольно формуются и вспучиваются гранулы.

Рыхлые глины и суглинки имеют высокую пористость в природном состоянии, малую связность, хорошо рас­ пускаются в воде. Суглинки — типичные представители этой группы. При подходящем вещественном составе и достаточном вспучивании они могут быть использованы для производства керамзита пластическим или мокрым способом.

Развитие производства керамзита в восточных райо­ нах страны потребовало изыскания и исследования но­ вых месторождений глинистого сырья, а также решения вопроса улучшения качества керамзита на основе экс­ плуатируемого сырья. Многолетние исследования сугли­ нистых пород Сибири проводятся в Новосибирском ин­ женерно-строительном институте под руководством д-ра техн. наук, проф. Г И. Книгиной. Сырье относится к группе пылеватых средних и реже тяжелых суглинков, содержит 7—20 % глинистых частиц. Высокое содержа­ ние свободного кварца (38—45 %) и СаО (до 5—8% ) при низком содержании А120 3 (10—13,8 %) определяют слабую вспучиваемость суглинков в коротком интерва­ ле температур, обычно 15—20 °С. Из этого сырья полу­ чают керамзит с высокой насыпной плотностью — 550— 600 кг/м3, а иногда и выше. Причем суглинки Омской, Новосибирской, Иркутской областей и Красноярского края имеют смешанослойное строение глинистой состав­ ляющей, что определяет дифференцированный подход к корректированию сырья по регионам и месторождениям.

Физико-химические и важнейшие технологические свойства глинистого сырья в основном определяются его вещественным, минералогическим, гранулометрическим и химическим составами.

Вещественный состав. По вещественному составу легкоплавкие глинистые породы делят на следующие группы. К супесям относят мелкообломочные горные по­ роды с содержанием частиц глинистых минералов 3—10%. Супеси занимают промежуточное положение между песками и суглинками. Они непластичны, обла­ дают слабой связующей способностью и при некоторой оптимальной влажности комкуются. Для производства ке­ рамзитового гравия они непригодны.

Суглинки — тонкообломочные глинистые породы раз­ личного химико-минералогического состава и генетиче­ ского происхождения с содержанием частиц глинистых минералов 10—30 %. По ряду основных свойств они за­ нимают промежуточное положение между глинами и су­ песями. Суглинки обладают средней пластичностью и слабой связующей способностью. Малозапесоченные суг­ линки могут быть использованы для производства высо­ копрочного керамзитового гравия и плотных видов ис­ кусственных заполнителей типа керамлита и керамдора. При добавке к суглинкам железистых и органических материалов по современной технологии можно получить легкий керамзитовый гравий с насыпной плотностью до 400 кг/м3. Собственно глинами называют тонкообломоч­ ные горные породы различного гранулометрического и химико-минералогического состава и генетического про­ исхождения. Затворенные водой глины образуют пла­ стичное тесто, которое по высыхании сохраняет придан­ ную ему форму, а после обжига приобретает твердость камня. Глины содержат свыше 30% частиц одного или различных глинистых минералов группы: каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др. По составу глины относят к группе водных алюмосиликатов^ преоблада­ нием оксидов Al20 3-Si02-H20 и содержанием Fe20 3, FeO, Ti02, MgO, CaO, K20, Na20 и т. д.

Лессовидные глины и суглинки — пылеватые глини­ стые породы с преобладанием частиц размером 0,05— 0,001 мм, от которых зависят основные свойства этих пород. Содержание карбоната кальция в лессах обычно

превышает 10 %. Поэтому из-за возможного оплавления и деформации при обжиге заполнителя они в чистом ви­ де без добавок других пород не пригодны для производ­ ства керамзита во вращающихся печах.

Сланцы— обширная группа метаморфических пород равного состава с характерной сланцеватой текстурой, обусловленной параллельным расположением чешуйча­ тых и таблитчатых минералов. Среди них различают гли­ нистые сланцы и так называемые филлиты. Глинистые сланцы — тонкозернистые плотные глинистые породы первой стадии метаморфизации глин. Измельченная и затворенная на воде масса таких сланцев обычно при­ обретает пластичность и формовочные свойства. Филли­ ты — плотные, не размокающие в воде глубоко метаморфизированные глинистые породы тонкослоистой струк­ туры.

По минералогическому составу сланцы подразделя­ ют на глинистые, кремнистые, хлоритовые, шунгитовые и др. Глинистые сланцы состоят из глинистых минералов (гидрослюд, монтмориллонита, каолинита и др.), кварца, хлоритов, полевых шпатов и т. д.; кремнистые — из вод­ ного аморфного кремнезема, мелкозернистого кварца, часто с примесью глины [37]; шунгитовые — из плагиок­ лазов, хлоритов, кварца и шунгитового вещества.

Во многих районах СССР выявлены огромные запа­ сы различных сланцевых пород (табл. 2). При достаточ­ но высоком вспучивании в процессе обжига глинистые сланцы представляют отличную сырьевую базу для орга­ низации производства материалов типа керамзита по весьма экономичному сухому способу производства.

Производство керамзита из глинистых, гидрослюдных, хлоритовых и кремнистых сланцев как в СССР, так и за рубежом, давно' освоено. Менее известны были свойства и особенности шунгитосодержащих сланцев. Лишь в последние два десятилетия они были всесторон­

Карелии. Специфические свойства шунгитов отличаются от других углесодержащих пород. Шунгитовое вещество считается крайним числом в ряду аморфного углерода. Структура шунгитового вещества более упорядочена, чем у антрацита, и менее упорядочена, чем у графита. Согласно исследованиям Ю. К. Калинина [76, 77], шун-

гитовое вещество состоит из 98,1 % углерода, 0,4 % во­ дорода и 1,03 % кислорода.

К настоящему времени подготовлены к эксплуатации два крупных месторождения — Нигозерское и Мягрозерское. Первое уже поставляет шунгитосодержащие слан­ цы на централизованный дробильно-сортировочный за­ вод по выпуску фракционированной крошки предприя­ тиям, расположенным не только в Карелии, но и в севе­ ро-западных областях Европейской части СССР.

Шунгитосодержащие породы характеризуются раз­ личным химическим и минералогическим составом. Не­ обходимое условие их вспучивания — присутствие в них шунгитового вещества до 3—5 % и тонкозернистость ми­ неральной части (табл. 3). Основные минералы шунгитовых сланцев — кислые плагиоклазы, хлориты и кварц. Вспучиваемость шунгитосодержащих пород уменьшается по мере повышения в них содержания хлоритов и пони­ жения количества кислых плагиоклазов.

Необходимо отметить, что шунгитовые сланцы, в частности Нигозерского месторождения, обладают большой неоднородностью как по составу, так и по ос­ новным свойствам. Так, содержание основных химиче­ ских компонентов колеблется в следующих пределах %:

R20 — 0,9—4,2.

Вспучиваемость сланцев Нигозерского месторожде­ ния происходит при 1080—1150°С с коэффициентом вспучивания 5—7 и более. Существенной особенностью сланцев является малый интервал вспучивания, что тре­ бует технологических мероприятий по его расширению.

Аргиллиты — глины, затвердевшие в результате при­ родного прессования, дегидратации, перекристаллизации и цементации. Замечено, что аргиллиты одних и тех же месторождений могут иметь различную степень преобра­ зования и по свойствам занимать промежуточное поло­ жение между собственно глинами и метаморфическими кристаллическими сланцами.

Основную массу аргиллитовых пород составляют гли­ нистые минералы — гидрослюда, монтмориллонит, као­ линит, хлориты с примесью кварца, полевых шпатов, слюд и т. д. Они также содержат до 50—80 % кремнезе­ ма, до 20 % и более глинозема и незначительное количе­ ство щелочей. Как и сланцы, при достаточном вспучива-

нии аргиллиты используются для изготовления заполни­ теля сухим способом.

Наша страна располагает также крупнейшими [62] отложениями кремнистых пород — трепелов, диатомитов и опок, которые с успехом могут быть использованы для производства различных строительных материалов, в том числе материалов типа керамзита.

Трепел— высокопористая, слабо сцементированная, рыхлая, осадочная порода, состоящая из мелких сфери­ ческих частиц, содержащих опал, кристобалит, халцедон

ипримеси из глинистых минералов, карбоната кальция, слюды, глауконита и др. Основной оксид породы — Si02 (70—90 %). Изредка в трепелах встречаются иглы губок

искелеты радиолярий. Плотность трепела изменяется в широких пределах от 0,5 до 1,3 г/см3.

Диатомиты — легкая рыхлая, слабосцементированная осадочная порода, состоящая преимущественно из мик­ роскопических кремнистых панцирей одноклеточных диа-

томитовых водорослей. Панцири диатомитовых сообща­ ют породе характерные физические свойства — легкость и пористость, которые способствуют разнообразному ис­ пользованию диатомита.

Опока — осадочная кремнистая горная порода с полураковым изломом, на 90 % состоящая из мелкозерни­ стого аморфного водного кремнезема с примесями гли­ нистых веществ, карбонатов, кварца, полевого шпата, вулканического стекла, органических остатков и др. По сравнению с диатомитами и трепелами опоки характе­ ризуются большей твердостью и большей кажущейся плотностью. Опоки и трепелы в отличие от диатомитов состоят из мельчайших (менее 0,005—0,001 мм) изотер­ мических и неправильных частиц опала и кристобаллита.

Более глубокие исследования кремнистого сырья для производства термолита, выполненные во ВНИИстроме Г А. Петрихиной, позволили выделить в каждой разно­ видности кремнистых пород отдельные группы, разли­ чающиеся по микроструктуре и содержанию примесей.

Среди трепелов выделены следующие группы: гли­ нистые, глобулярные и карбонатные. К глинистым трепе­ лам отнесены породы, содержащие не менее 25 % гли­ нистого вещества, преимущественно каолинитмонтмориллонитового состава, кремнеземистое вещество породы представлено частицами, имеющими форму глобул, ли­

бо органогенными частицами. К глобулярным трепелам отнесены наиболее чистые разновидности трепелов, ело* женные преимущественно опаловыми глобулами. Содержание глинистого вещества в них незначительно. К карбонатным трепелам отнесены породы, содержащие 20— 25 % карбонатов кальция; кремнеземистое вещество по­ роды представлено частицами глобулярной, органоген­ ной и чешуйчатой формы.

Диатомиты, представляющие собой однородные рых­ лые породы, по содержанию глинистого вещества делят­ ся на две группы: чистые и глинистые. Чистые диатоми­ ты почти не содержат глинистого вещества, вследствие чего являются непластичными материалами. В отличие от них глинистые диатомиты содержат глинистые мине­ ралы: монтмориллонит, каолинит, гидрослюду — и обла­ дают хорошими формующими свойствами.

Опоки подразделяют на четыре группы: окремнелые. плотные, рыхлые и карбонатные. Опоки окремнелые — с раковистым изломом, темно-серого цвета, характеризу­ ются наибольшей кубиковой прочностью, большой кажу­ щейся плотностью и наименьшим водопоглощением. Опо­ ки плотные— с полураковистым изломом имеют по срав­ нению с окремнелыми меньшую кубиковую прочность, кажущуюся плотность, большее водопоглощение, меньше содержат аморфной кремнекислоты и больше глинозема по сравнению с окремнелыми.

изломом с незначительной кубиковой прочностью, порис­ тостью, содержат наибольшее количество глинозема. Карбонатные опоки характеризуются значительным со­ держанием оксидов СаО и MgO (до 10 %), имеют незна­ чительную кажущуюся плотность, их кубиковая проч­ ность несколько выше, чем у рыхлых опок.

Угленосными называют глинистые породы, насыщен­ ные углистыми, преимущественно равномерно распреде­ ленными примесями. Эти породы — спутники угольных месторождений — составляют одну из разновидностей пустых пород при добыче угля. Содержание углистых примесей в угленосных глинистых породах колеблется в широких пределах. Для производства керамзита пред­ ставляют интерес угленосные глинистые породы выдер­ жанного состава.

Минералогический состав. Глинистые горные поро­

ды — механическая смесь различных глинообразующих минералов и сопутствующих примесей. Мономинеральные глины в природе встречаются редко. Поэтому мине­ ральный тип глины обычно характеризуют преобладаю­ щим в рассматриваемой породе глинообразующим ми­ нералом.

С давних пор было широко распространено представ­ ление, что основой глин является глинистое вещество или некий коллоидный комплекс из различных состав­ ляющих, которым приписывался аморфный характер. Позже некоторые исследователи стали считать, что гли­ нистое вещество состоит из каолинита, а различия в свойствах глин объясняли присутствием тех или других примесей. Лишь с появлением новых методов исследова­ ния, главным образом рентгеноструктурного и термогра­ фического анализов, было установлено, что основу боль­ шинства глинистых пород составляют различные глини­ стые материалы, находящиеся не в аморфном, а в кри­ сталлическом состоянии, и что именно эти минералы при­ дают те или другие основные свойства глинистым поро­ дам. К настоящему времени выявлено свыше десяти гли­ нистых минералов, составляющих легкоплавкие глинис­ тые породы. Наиболее распространены минералы монт­ мориллонита, гидрослюд или иллита, хлорита, каолинита и вермикулита.

Группа монтмориллонита. Монтмориллонит состоит из структурных элементов, построенных из двух наруж­ ных кремнекислородных тетраэдрических сеток и про­ межуточной алюмокислородной октаэдрической сетки, сочлененных таким образом, что вершины тетраэдров каждой кремнекислородной сетки совместно с вершина­ ми гидроксилов октаэдрической сетки образуют общий слой.

Смежное расположение слоев атомов кислорода меж­ ду структурными элементами кристаллических решеток монтмориллонита обусловливает слабую связь между слоями, куда могут легко проникать молекулы воды и значительно расширять решетку, что вызывает набуха­ ние минерала.

Теоретическая формула чистого монтмориллонита без учета характерных для него изоморфных замещений имеет вид [(OH^SisAUC^o^H^O.

Предполагается, что в тетраэдрической сетке степень замещения кремния на алюминий составляет около

15 %. В октаэдрической же сетке замещение может даже быть полным. Следует подчеркнуть, что вследствие за­ мещения элементов одной валентности на элементы с другой валентностью, например А13+ на Mg2+, Si4+ на А13+, кристаллическая решетка монтмориллонита всегда неуравновешенна, что вызывает необходимость компен­ сации зарядов за счет внутренних перераспределений элементов в решетке и адсорбции извне, вызывающих новые замещения и отклонения состава от теоретической формулы. В результате детального изучения свойств сырья, содержащего монтмориллонит, установлено, что он представляет собой целую группу близких между со­

•Fe-bSiO^io* (0Н )2]яН20 с отношением т/р— 0,8...0,9. При этом образование новых минералов монтмориллонитовой группы и их основные свойства зависят от ха­ рактера изоморфных замещений в кристаллической ре­ шетке. Полное замещение в октаэдрической сетке алюми­ ния магнием дает минерал монтмориллонитовой группы

ких глинистых породах. В большинстве случаев харак­ тер изоморфных замещений различен, поэтому состав и свойства его также не всегда одинаковы. С этим необ­ ходимо считаться при определении влияния этого мине­ рала на технологические свойства сырья для производ­ ства керамзита.

Нонтронит /n[Mg3(Si4Oio) (OH)2p(Fe, Al)2• (Si4Oi0) -

• (0H )2]ttH20 — минерал монтмориллонитовой группы, продукт замещения в монтмориллоните алюминия же­ лезом с предельным составом Fe2(OH)2- [Si4Oi0] *nH20 (хлоропал) [38].

Согласно [43], выделяются два типа диоктаэдрических монтмориллонитов. Первый образует при высоких температурах фазы кварца, который при 1000 °С перехо­ дит в кристобалит. Для второго характерно образование при 1150—1250 °С фазы муллита.

Как указывает В. Ф. Павлов [95], реакции и про­ цессы, протекающие в глинах при нагревании, приводя­ щие к образованию высокотемпературных фаз, зависят прежде всего от микроструктуры частиц. Характер вза­ имной упорядоченности алюмосиликатных слоев и нали­