Сырье для производства пористых заполнителей

Природным сырьем для производства пористых заполнителей для легких бетонов служит большая группа горных пород, часть из которых имеет естественную высокую пористость (природные пористые заполнители), а другая часть приобретает ее при вспучивании после соответствующей термической обработки.

К первой группе относятся горные породы вулканического (пемзы, шлаки, туфы, крупнопористые базальты, андезито-базальты, андезиты) или осадочного происхождения (пористые известняки, известняки-ракушечники, спонголиты, опоки и другие кремнеземистые породы), из которых дроблением и фракционированием получают щебень с объемной насыпной массой не более 1200 кг/м³ (по фракции 5-10 мм) и песок с объемной насыпной массой не более 1400 кг/м³, отвечающие требованиям ГОСТа 22263-76 (2003) "Щебень и песок из пористых горных пород". В перспективе возможно использование еще целого ряда различных горных пород: туфодиатомитов (Приморский край), витрофиров (Средняя Азия), менилитовых сланцев (Карпаты), горелых пород (Кузбасс, Якутия), диктионемовых сланцев (Северо-запад), филлитов (Карелия) и др. Всего в лабораторных условиях оценены к настоящему времени 30 литологических разностей осадочных, изверженных и метаморфических пород и минералов, которые могут быть использованы для производства пористых заполнителей.

Ко второй группе пород, вспучивающихся при обжиге, относятся некоторые глинистые породы, кислые вулканические стекла и эффузивы, природные гидратированные слюды, шунгитсодержащие сланцы.

Требования к качеству пористых заполнителей, получаемых вспучиванием различных пород, лимитируются соответствующими государственными стандартами или техническими условиями: ГОСТ 9757-90 (2002) "Заполнители пористые неорганические для легких' бетонов", ГОСТ 9758-83 (2003) "Гравий и песок керамзитовые", ГОСТ 11991-83 "Щебень и песок аглопоритовые", ГОСТ 19345-83 "Гравий и песок шунгизитовые", ГОСТ 10832-91 (2004) "Пески и щебень перлитовые вспученные",ГОСТ12865-67 (1998)"Вермикулит вспученный", ТУ 21-31-29-80 "Гравий и щебень термолитовые".

Технические условия на сырье для производства пористых заполнителей, как правило, отсутствуют, поскольку возможность его применения корректируется технологией. Однако основные требования установлены практикой.

Для получения керамзита пригодны легкоплавкие глины и глинистые сланцы, в составе которых преобладают монтмориллонит, бейделлит и гидрослюды. Оптимальное содержание органического вещества в керамзитовых глинах 0,5-1,5 %. Наиболее благоприятный химический состав: Fе₂O₃ + FеО не менее 4 %, СаО не более 6 %, А1₂O₃ до 20 %. Крупные включения не допускаются.

Аглопорит получают из песчано-глинистых пород, пелитовые части которых сложены минералами группы монтмориллонита, и гидрослюд. Присутствие сернистых и сернокислых соединений нежелательно. Содержание СаО допускается не более 10%.

Для производства вспученного перлита наиболее пригодны кислые молодые вулканические стекла (перлит, обсидиан) и эффузивы (липариты и др.), содержащие не более 15 % кристаллических включений. Оптимальный химический состав (в %): SiO₂ 65-67, А1₂O₃ 12-14, Fе₂O₃ 1,5-2,5, СаО 1,5-2,5.

Техногенным сырьем для производства пористых заполнителей являются вскрышные породы месторождений целого ряда полезных ископаемых, а также различные шлаки и отходы углеобогащения.

Во вскрышных породах наиболее распространено керамзитовое сырье. Оно установлено на месторождениях очень многих видов полезных ископаемых - карбонатных пород разного назначения, огнеупорных, бентонитовых глин, бурого и каменного угля, фосфоритов, бокситов, формовочных песков, железистых кварцитов, марганцевых, сурьмяно-ртутных, кобальтсодержащих магнетитовых руд и др. Однако, как и в других подотраслях промышленности строительных материалов, вскрышные породы утилизируются мало и изучены слабо.

Утвержденные запасы керамзитовых глин во вскрышных породах на действующих горнодобывающих предприятиях имеются лишь на шести месторождениях: Назаровском (уголь) в Красноярском крае, Междуреченском (песок строительный) в Приморском, Черкасском (бентонит) на Украине, Соколовско-Сарбайском (железные руды), Восточно-Аятском и Дарбазинском (бентонит) в Казахстане. Суммарные запасы керамзитовых глин, на всех перечисленных месторождениях составляют менее 2 % всех разведанных запасов.

Слабо утилизируются также металлургические шлаки, золошлаковые отходы ТЭЦ, хвосты углеобогащения, хотя специалисты считают, что в перспективе это сырье должно стать основным, отодвинув на второй план керамзитовые глины.

Из металлургических шлаков получают шлаковую пемзу. Для этих целей пригодны жидкие шлаки, не склонные к распаду, имеющие температуру плавления не менее 1250 °С, вязкость не выше 5 Па/с, температуру кристаллизации не ниже 1100 °С, содержащие не менее 35 % кремнезема, не более 45 % оксида кальция, 8-18 % глинозема, 3 % МnО + FеО, 6-10 % Мg0. Качество шлаковой пемзы должно удовлетворять требованиям ГОСТа 2760-86 "Щебень и песок пористые из металлургического шлака (шлаковая пемза)". Несмотря на высокое качество и эффективность применения шлаковой пемзы, развитие ее производства сдерживается нерентабельностью большинства действующих установок по поризации жидкого шлака.

Золошлаковые отходы тепловых электростанций используются для получения аглопоритового гравия и щебня, глинозольного керамзита, безобжигового и обжигового зольного гравия. Для получения аглопорита целесообразно применять золы с температурой размягчения выше 1200°С, характеризующиеся интервалом размягчения более 100^о С и содержащие углерода до 12 %. Удельная вязкость зол должна составлять не менее 2000 см³/г. Установлено, что большая часть золы-уноса, образующейся при сжигании углей в СНГ, по химическому составу соответствует требованиям технологии производства аглопоритового щебня и гравия. Исключение составляют лишь высоко-кальциевые золы углей Канско-Ачинского бассейна.

При изготовлении глинозольного керамзита зола применяется в качестве добавки, вводимой в глину (10-30 %), а также как основной компонент шихты (50 % и более). Наиболее пригодна для этих целей зола-унос с содержанием кремнезема 33-57 % и глинозема 14-37 %. Количество углерода в золе не должно превышать 17 %. Применяемая технология позволяет использовать только золы из отвалов гидроудаления. Сухая зола-унос для производства глинозольного керамзита непригодна.

Для получения зольного гравия можно использовать как золошлаковые смеси из отвалов гидроудаления, так и в отдельных случаях золу-унос. В ней должно содержаться не менее 7 % Fe₂О₃ и более 8 % СаО + МgО. Строго регламентируется содержание углерода в золе (не более 1 %).

Отходы углеобогащения относятся в основном к невспучивающимся или слабовспучивающимся породам, поэтому их целесообразно использовать прежде всего для производства аглопорита. Предпочтительны для этого отходы гравитационного обогащения углей. От обычных глин отходы углеобогащения отличаются более высокой прочностью и меньшей влажностью.

В настоящее время разработан целый ряд технологий производства пористых заполнителей из различных промышленных отходов: из золы с небольшой добавкой отходов флотации углей, из шламов глиноземного производства и др. Такие технологии позволяют организовать производство пористых заполнителей практически в любом промышленном районе страны. Требуемые для этого большие энергетические затраты могут быть компенсированы высокой эффективностью применения пористых заполнителей (облегчение строительных конструкций и сокращение теплопотерь в зданиях).

Практический интерес могут представлять гидратированные слюды - отходы обогащения, скопившиеся в отвалах разрабатываемых месторождений электротехнических мусковитов в Мамско-Чуйском районе и на Алдане. Однако пока еще отечественное производство пористых заполнителей базируется в основном на природном сырье.

Разведанные запасы всех видов природного сырья составляют 4,4 млрд. м³, из них по видам: керамзитовые и аглопоритовые глины 2,8; пемзы, туфы и другие породы, пригодные в качестве природных пористых заполнителей 0,8; перлиты 0,3; опал-кристобалитовые породы, пригодные для производства термолита и трепелозита, - 0,4 млрд. м³, вермикулит - 25 млн. т. Около половины учтенных балансом месторождений мелкие (менее 1 млн. м³).

Добывается ежегодно для производства пористых заполнителей 35 млн. м³, в том числе керамзитовых глин 20, трепелов 4,5, перлита 3,5, пород с естественной высокой пористостью 7, шунгизитовых сланцев 0,2 млн. м³, вермикулита - 0,1 млн.т.

Географически запасы и добыча распределяются неравномерно. В силу геологических особенностей наиболее распространенное керамзитовое сырье имеется почти на всей территории страны. Однако некоторые районы (Тверская, Ярославская, Курская, Смоленская, Липецкая области, Азербайджан, Таджикистан, Туркменистан) обеспечены им недостаточно, хотя и здесь имеются перспективы обнаружения новых месторождений.

Другие виды природного сырья для производства пористых заполнителей распространены более локально. Пемзы, туфы и другие породы с высокой естественной пористостью, а также вспучивающиеся вулканические стекла и эффузивы (перлит, обсидиан, липарит) тяготеют к складчатым, преимущественно молодым областям (Закавказье, Восточная Сибирь, Дальний Восток, Украина и др.). Опал-кристобалитовые породы локализуются на платформах (Центральный, Поволжский, Волго-Вятский экономические районы). Вермикулит и шунгизит приурочены к выходам древних комплексов пород в Карелии и Мурманской области.

В целом обеспеченность существующего и намечаемого производства пористых заполнителей высокая. Тем не менее, некоторые предприятия не имеют достаточно надежной сырьевой базы.

Ряд заводов работает на неразведанном или неоцененном для производства пористых заполнителей сырье. К ним относятся Бескудниковский и Лосиноостровский в Московской, керамзитовые заводы в Тюменской, Певекский в Магаданской, Буйский в Костромской, Артемовский в Свердловской областях и др. Некоторые предприятия, в частности, Азаровский в Калужской, Кировский в Кировской, Комбинат железобетонных изделий-80 в Тульской области, Витебский в Белоруссии и другие по состоянию на тот же период были обеспечены разведанными запасами менее чем на 10 лет.

Таким образом, состояние обеспеченности производства пористых заполнителей природным минеральным сырьем нельзя считать благополучным. В то же время расширение использования различных видов техногенного сырья, освоение новых технологий позволили бы значительно увеличить выпуск пористых заполнителей, улучшить их качество, разнообразить ассортимент и создать в каждом промышленном районе собственное производство.