Производство заполнителей из кремнистых пород экономически выгодно, так как его будут получать из местного сырья. Применение в бетонах легких термолитовых заполнителей вместо привозных тяжелых, также даст значительный экономический эффект. Предварительная оценка себестоимости термолита из собственного дробленого и обожженного опочного гравия составит не более 700 руб. за 1 м³. Если учесть, что отход обожженной тонкой фракции 0,5 – 5,0 мм после помола может быть использован в качестве реакционно-активной добавки вместо микрокремнезема в собственном производстве и для продажи на заводы ЖБИ Пензенской области, то экономический эффект от производства термолита будет более высоким.

Для доказательства возможности промышленного использования новых сырьевых ресурсов и производства из них различных искусственных заполнителей для бетонов в крупнейших районах широкого распространения месторождений кремнистых пород были проведены опытно-промышленные получения искусственных заполнителей из различных кремнистых пород. Для получения термолитовых заполнителей в заводских условиях применялись трепел Брянской области, мергелисто-кремнистая порода Курской области, карбонатная и некарбонатная опока Саратовской области. В городах Курске, Энгельсе и Саратове использовались сорокаметровые вращающиеся печи, в г. Орле – двадцатидвухметровая.

Проведенной серией опытно-промышленных испытаний доказана возможность промышленного производства искусственных заполнителей из кремнистых пород и необходимость создания такой отрасли производства. В результате исследований кремнистых пород различных областей доказана возможность промышленного использования новых сырьевых ресурсов для получения различных местных строительных материалов.

При заводских испытаниях проверялись пригодность типичного сырья этих районов для получения из него заполнителей, методы разработки, дробления, хранения, поведения его при обжиге, различные режимы обжига, качества готовой продукции и многие другие вопросы.

Нами было установлено, что применяемые для производства термолитов кремнистые породы как сырье обладают положительными качествами: каменистостью (дают при разработке и дроблении полуфабрикат хорошей формы и гранулометрии), термостойкостью (при температуре 600 – 700⁰ С приобретают незначительную трещиноватость) и позволяют получать при обжиге прочные заполнители с хорошими физико-механическими свойствами.

При дроблении горных кремнистых пород установлено, что наиболее подходящими камнедробилками для этих пород являются щековые и валковые. Так, при двухстадийном дроблении курской породы на дробилках СМ-11б и СМ-12 даже при 40% влажности породы получался щебень-сырец хорошей формы и гранулометрическим составом. При размере выходной щели 35 – 40 мм работающей дробилки СМ-12 налипаний породы на валки не происходило.

Для опочного гравия вследствие его лещадной формы мы рекомендуем короткоконусные или валковозубчатые дробилки. Первые – дробят лещадный гравий под действием излома, вторые – при действии сил раскалывания.

В зависимости от технологических методов производства термолита заготовку полуфабриката можно производить круглый год или складировать летом на заводских площадках. В этом случае строительство складских помещений для хранения полуфабриката зависит от морозостойкости пород. Так, мергелисто-кремнистая порода обладает малой морозостойкостью и при хранении под открытым небом за период одной зимы  почти полностью разрушается, а более морозостойкие карбонатные и трепеловидные опоки в таких условиях хранятся без разрушения.

Установлено, что при получении термолитов из более плотных и высокопрочных пород карбонатной опоки и темного трепела, обычно взрывающихся при тепловом ударе 600 – 700^оС, проверялось указанное явление при обжиге во вращающихся печах. Щебень-сырец из этих пород без подсушки и подогрева подавался во вращающуюся печь с температурой 600-700^оС. Количество растрескиваний было незначительным. Щебень-сырец фракций 60-90 мм в большинстве случаев не взрывался. Количество растрескиваний двадцатидвухметровой печи значительно больше, чем в сорокаметровой. Из приведенного примера видно, что подсушка пород перед обжигом не нужна, следовательно, не нужно оборудование для этой операции. Учитывая, что термолитовый щебень в основном рекомендуется для конструктивного бетона, для которого требуется щебень фракций до 20 мм и менее, который при обжиге спекается на всю глубину и не имеет ядра с пониженной прочностью.

За время прохождения в печи щебень-сырец подсушивается, подогревается, максимально обжигается и затем остывает до температуры 700-800^оС. Фактически процесс максимального обжига, когда происходит спекание термолита, длится 5-10 мин, и достигается он повышением температуры обжига. Для опоки может быть рекомендован указанный температурный режим и короткие вращающиеся обжиговые печи.

При обжиге трепела, имеющего незначительное количество легкоплавких компонентов, все процессы обжига завершаются за 30-35 мин. Из этого времени на процесс спекания приходится 10-13 мин. Однако, процесс спекания полностью не завершается, и полученный термолит не имеет достаточной прочности. Для завершения процесса полного спекания температура обжига в печи должна быть доведена до 1260^оС. Полученный заполнитель имел полиморфные превращения и пониженную прочность.

При обжиге в лабораторных условиях нами было установлено, что для процесса спекания опоки и получения термолита с максимальной прочностью требуется увеличить время нахождения щебня в печи до 60 мин, температура обжига должна быть 1000-1100^оС. Для опочного гравия может быть рекомендован режим обжига с более продолжительным процессом спекания, а следовательно, и более длинные печи – порядка 40-50 метров. Для получения некоторых фактурных термолитов также требуются режимы обжига с удлиненным процессом спекания.

Во вращающихся печах при обжиге трепела и карбонатной опоки был получен щебень с проявлениями полиморфных превращений. Частичное и слабое проявление полиморфизма опала и кварца наблюдалось у глинистых диатомитов и трепеловидных алевролитов. В результате обжига при высоких температурах орловского трепела был получен термолитовый заполнитель с пониженной прочностью. При петрографических исследованиях нами было установлено, что снижение прочности полученного термолита произошло за счет β-γ-инверсии.

Термолитовый щебень, полученный при обжиге в сорокаметровых печах из карбонатных пород, имел слегка окатанную гравелистую форму. Стирание граней происходило от продолжительности движения щебня по футеровке печи. Поэтому целесообразно иметь меньшее количество оборотов печи и больший угол её наклона, чем большую длину печи. На основании сказанного можно сделать вывод, что влажность сырца из кремнистых пород не оказывает заметного влияния на трещинообразование и спекаемость получаемого термолита. Сырье с повышенным содержанием влаги ведет только к временному понижению температуры обжига и увеличению расхода топлива. Появление открытых трещин на части заполнителя связано с объемной огневой усадкой при обжиге породы.

При получении высокопрочных термолитов требуется производить раздельный обжиг крупных и мелких фракций сырца, когда температурный интервал получения термолита выше температуры слипания мелких фракций. Данное положение подтверждается рядом лабораторных исследований, когда мелкая фракция обжигалась при более низкой температуре.

Установлено, что для получения слабообожженных термолитов операции отсева фракций менее 5 мм перед обжигом не требуется, так как при невысоких температурах обжига не происходит слипания мелких фракций и прилипания их на футеровку печи. В данном случае можно осуществлять совместный обжиг крупных и мелких фракций. Это возможно также при обжиге более огнеупорных опок, температура слипания мелких фракций которых составляет 1320^оС, а температурный интервал получения высокопрочных термолитов 1220 – 1280^оС. Не требуется операция отсева мелких фракций и при обжиге фактурного термолита размером 0,15– 10,0 мм. В этом случае температурный интервал получения термолита должен быть одинаковым для указанных фракций и не должен превышать температуры слипания мелких фракций.

Не рекомендуется совместный обжиг легкоплавких и тугоплавких разновидностей кремнистых пород. Так, при совместном обжиге при высокой температуре некарбонатного и карбонатного трепелов, происходило частичное расплавление более легкоплавкого карбонатного и налипание на него щебня из некарбонатного трепела. В результате проведенных исследований разработаны требования к сырью:

1. Сырье должно быть однородным, водостойким и термостойким, в нем должны отсутствовать легкоплавкие и тугоплавкие разновидности пород;

2. Сырье должно обладать достаточной каменистостью, позволяющей получать из него путем дробления щебень – сырец;

3. Сырье не должно быть запесоченным, ориентировочное содержание количества кварца в породах не должно превышать 20 – 25%;

4. Суммарное содержание оксидов алюминия и железа не должно превышать 20%;

5. Предельное содержание в породах оксида кальция должно быть не более 25%;

6. В сырье не должны присутствовать крупные карбонатные органогенные остатки;

Процесс производства термолита может быть осуществлен по сухому способу производства керамзита с учетом вышесказанного. Для производства необходимы следующие технологические операции:

1. Доставка опочного гравия к месту производства;

2. Получение путем дробления щебня-сырца;

3. Обжиг и охлаждение термолита;

4. Складирование и
транспортировка готовой продукции.

Анализируя применяемые методы переработки сырья из кремнистых пород и существующих технологических процессов получения искусственных пористых заполнителей, рекомендуем следующий вид технологической схемы совместного производства крупных и мелких термолитовых заполнителей.

Пензенские намывные гравийные опоки отличаются от природных карьерных опок тем, что они были подвергнуты в процессе своего генезиса механогидрохимическому воздействию в процессе водного перемещения по руслу реки. В результате этого осуществлялось их прочностное обогащение. Более рыхлые и менее прочные породы в большей степени истирались и растворялись в водной среде.

Темные разности опоки обладают повышенной твердостью 4-4,5 и плотностью 1600 – 1700 кг/м³; светлые разности имеют более низкую твердость 2,0-2,5 и плотность 1100 – 1200 кг/м³. Более плотные разновидности опоки со средней плотностью 1400– 1700 кг/м³ относятся к кремнеподобным с повышенным содержанием SiO₂ (88-94%).

Другая разновидность опоки – кремнистая – обладает большей пористостью и имеет более низкое содержание SiO₂ (78,0-80,0%).

Кремнистые составляющие представлены кварцем, кристобалитом, опалом. Также присутствуют окислы железа, незначительное количество оксидов железа, кальция и Al₂O₃. Обжиг при температуре 800⁰С состав изменяет незначительно, спекание лишь частично изменяет пористость опоки при её малом остекловании. При температуре 1000⁰С степень остеклования повышается. Его полнота наступает при температуре 1200 – 1300⁰С. При этом опока с меньшим содержанием SiO₂ (80-85%) в присутствии легкоплавких примесей, создающих низкотемпературные эвтектики, спекается при более низкой температуре.

Темные опоки имеют повышенное количество аморфного кремнезема – опала. При выщелачивании опала в водных условиях опока принимает желтоватый цвет. Спекаемость аморфного кремнезема слабая и медленная.

Присутствие халцедона в кремнистых породах связано с метаморфизмом опала. Обычно он преобладает в осадках более древних периодов. С превращением опала в волокнистый халцедон или скрыто-кристаллическую разновидность кварца повышается прочность за счет роста кристаллов и образования новых связей. Пензенский намывной опочный гравий разделяется по цвету на две разновидности–темноцветную и светлоцветную.

Пробы опочного гравия двух поставок, отсеянные от мелких фракций менее 10 мм, были высушены до постоянного веса для определения влажности. В результате анализа было установлено, что влажность первой пробы оказалось равной 6% по массе, а второй пробы – 11%. Разная влажность опоки является результатом, свидетельствующим о возможных колебаниях влажности, зависящих от места отбора опоки после гидронамыва и времени года. Поэтому при организации технологии производства термолитового заполнителя необходимо иметь промежуточный склад опочного гравия. В производстве керамзитового гравия для хранения глины сооружается глинозапасник, на котором происходит усреднение глины по влажности при хранении без увлажнения атмосферными осадками.

Рассев опочного гравия на стандартном наборе сит с ячейками от 20 до 0,315 мм позволил установить его полный гранулометрический состав. Результаты представлены в таблице.

Таблица. Гранулометрический состав опочного гравия от гидроклассификации песка в ООО «ПУС»

Как следует из таблицы, в опоке содержание зерен с размерами более 5 мм составляет 55,7%. Именно эта фракция опоки необходима для изготовления крупного термолитового заполнителя для легкого бетона. Содержание мелкой фракции опоки с размерами 0,63 – 5,0 мм составляет 9,6%. Тонкая фракция с размерами 0,0 – 0,63 мм, содержание которой 34,7%, является очень мелким кварцевым песком. Следовательно, из 1 т опочного гравия может быть выделено 557 кг нужной фракции от 5 до 40-50 мм, которая после дробления может быть использована для обжига и получения термолита.

Крупный опочный гравий фракции 10 мм и более был проанализирован по форме зерен. В нем содержание зерен лещадной формы составило 60%. Понизить содержание зерен лещадной формы в термолитовом заполнителе можно специальным дроблением.

Учитывая, что после дробления крупной фракции опоки до размеров зерен 5 – 10 мм появится до 10 – 20% мелочи с размерами менее 5 мм, выход продукта уменьшится до 450 – 500 кг из 1 т опочной смеси. Если содержание песка при правильных отборах проб уменьшится незначительно, то следует изменить напорную скорость гидросмеси и уменьшить содержание кварцевого песка в опоке.

Опочный песок фракции 0,63 – 5,0 мм может обжигаться совместно с отсевом дробления опоки, в которой будет присутствовать мелкая фракция , полученная при дроблении. Нами разработана реакционно-активная добавка из молотой опоки. Она по реакционной активности несколько уступает дорогому микрокремнезему. Эффективность её проверена нами на обычных и легких термолитобетонах. В связи с тем, что себестоимость этой добавки, изготавливаемой из собственного сырья, оценивается нами не более 600 – 800 руб. за 1 тонну, то это существенно ниже, чем стоимость микрокремнезема.

Для высокопрочных бетонов может быть использована комплексная добавка: микрокремнезем+обожженная молотая опока в соотношении 30:70 по массе. Для обычных бетонов-молотая опока. В первом случае затраты на микрокремнезем снижаются в 3 раза.

Исходя из гранулометрического состава опочно-кварцевой смеси выскажем свои соображения по использованию мелких и тонких фракций. Самая тонкая фракция менее 0,315 мм и тонкая фракция 0,315 – 0,63 мм – готовый тонкозернистый песок для растворов.

Наличие мелких частиц более легкой опоки уменьшает расслоение кладочных и штукатурных растворов. Тонкие частицы опоки являются реакционно-активной добавкой и связывают гидролизную известь в дополнительные цементирующие гидросиликаты кальция

Зернистая опока с фракцией 1,25 – 2,5 мм, как было сказано выше, должна обжигаться совместно с дробленой опокой.

Рис. 1. Номенклатура материалов из опоки

Таким образом, из намывной опоки по безотходной технологии может быть получено несколько материалов. Соотношение между различными фракциями зерен в опоке может варьироваться также как и количественный выход различных материалов.

Влажность намывного опочного гравия существенно варьирует. Намывная опока, отобранная из гидроциклона, имеет максимальную влажность, равную длительному водонасыщению, которое может достигать 30 – 35% по массе. Если опочный гравий будет отбираться  из конуса под гидроциклоном и складироваться на отдельном складе, то влажность будет снижаться за счет естественного высыхания. Опочный гравий обладает высокой открытой пористостью и быстро высыхает на воздухе. В летний период влажность может снижаться до 5 –10%. При этом светлые разности гравия имеют большую влажность.

Для определения открытой пористости темные и светлые разности опоки испытывались на водопоглощение. Для этого опочный гравий фракции 20 – 40 мм высушивался до постоянного веса и подвергался естественному водопоглощению с периодическим взвешиванием через определенные промежутки времени. Результаты представлены в таблице 1.

Как следует из таблицы, уже через 10 мин. нахождения в воде светлая опока поглощает 18% воды, а через 3 суток водопоглощение достигает 30%. Темные разности опочного гравия имеют водопоглощение на всех временных этапах в 1,5 раза ниже.

Таблица 1. Водопоглощение опочного гравия

По результатам водопоглощения была определена средняя плотность в куске и пористость опоки. Для этого водонасыщенный гравий протирался тканью и погружался в мерный цилиндр с водой. По результатам вытесненного объема воды вычислялась средняя плотность.
Она находилась в пределах ρ_ср=1450 – 1550 кг/м³. Пористость в абсолютно сухом состоянии составила 36 – 40%.

Прокаливанием абсолютно сухого опочного гравия при температуре 1000^оС определили потери при прокаливании (ППП). Они составили 2,0–2,5%. для светлых и темных разностей гравия. Органические примеси в опоке обычно отсутствуют. Поэтому при прокаливании удалялась химически связанная вода.  При молекулярной массе SiО₂, равной 60, доля воды составит 0,08 – 0,01 Н₂О, т.е. можно с некоторым приближением принять вещество аморфного кремнезема, соответствующего формуле SiО₂•0,1 Н₂О.

Уменьшение сухой массы опочного гравия при обжиге не превышает 2 – 3%, т.е. с 1 т гравия получится 970 – 980 кг термолита. Расход сырья на 1т термолита составит 1,03 тонны.

Изучение свойств обожженного опочного гравия и легкого бетона на его основе и реакционно-активной добавки – высокодисперсного термолита

Опочный гравий фракции 10 – 40 мм обжигался с 20^оС до 1000^оС по режиму: подъем до t = 1000^оС – 0,5 часа; выдержка при температуре t = 1000^оС – 20 мин.; охлаждение до 20^оС – 0,4 часа. После обжига опочный гравий дробили на щековой дробилке, а затем рассеивали на 3 фракции: 10 – 20 мм, 5 –10 мм, и 0 – 5 мм. После дробления количество щебня из гравия фракции 5 – 20 мм оказалось 80%, а фракции 0 – 5 мм – 20 мм.

В связи с тем, что на кафедре не имеется лабораторной конусной и валковой дробилок для дробления лещадных пород, дробление осуществлялось на щековой дробилке. Щековая дробилка не пригодна для дробления лещадных пород, какой является лещадный опочный гравий. После дробления содержание лещадных зерен во фракции 10 – 20 мм составило 47%, а во фракции 5 – 10 мм – 41%.

Насыпная плотность смеси двух фракций 5 – 10 и 10 – 20 мм в соотношении 1:3 составляет 770 кг/м³, в уплотненном состоянии – 890 кг/м³; средняя плотность обожженного опочного гравия в куске – 1472 кг/м³, а истинная – 2,5 г/см³.

Раздельный обжиг темной и светлой опоки не выявил различий в их окраске. Это свидетельствует о близком содержании оксидов железа, окисляемых при обжиге.

Изучено водопоглощение смеси обожженной светлой и темной опоки фракций 5 – 10 мм и 10 – 20 мм при соотношении 1:3.

Как следует из результатов, водопоглощение через 16 часов составляет 83% от четырех суточного. Это свидетельствует о значительном количестве сообщающихся капиллярных пор легко заполняемых водой. При полной пористости 41%, через 4 суток 65% всех пор насыщаются водой.

При приготовлении бетонной смеси на таком пористом щебне важно знать водопоглощение через первые 10-15 минут, т. к. щебень обезвоживает бетонную смесь и снижает ее пластичность. Поэтому содержание воды необходимо заведомо увеличивать. Водопоглощение опоки через 10-15 мин. зависит от размеров зерен. В смеси указанных фракций водопоглощение через 10-15 мин. находится в пределах 10-12% по массе, что составляет 43%-45% от 28-ми суточного водопоглощения.

На обожженном термолите был изготовлен легкий конструктивный бетон. Бетон был изготовлен на Пензенском портландцементе «Азия-Цемент» ЦЕМ 42,5 Н. Использовался песок Сурский с Мкр=1,52, две фракции термолита фр. 5-10 мм – 211 кг/м³ и фр. 10-20 мм – 492 кг/м³. В качестве пластификатора использовали СП Хидетал 9γГ. В/Т-отношение было 0,667, при котором бетонная смесь получилась малопластичной марки П-1 с осадкой конуса 3 см. Образцы-кубы 100х100х100 мм твердели в влажных условиях  и испытывались через 2 и 28 суток (рис. 1). Получен легкий бетон М400 с классом по прочности В35  плотностью в абсолютно-сухом состоянии 1780 кг/м³.

Кроме легкого заполнителя термолита при его производстве от дробления опоки получается мелкая фракция 0-5 мм, которая после обжига должна измельчаться до высокой дисперсности более 10000 см²/г.

Таблица 2. Легкий бетон на термолите

Реакционно-активный порошок – высокодисперсный термолит (ВДТ) имеет розовый цвет и состоит из безводных соединений, преимущественно из видоизмененного активного SiO₂, дегидратированных алюмосиликатов и твердых растворов железистых соединений. В небольшом количестве содержатся алюмосиликатов кальция и натрия.

Оценка реакционной активности молотой термоактивированной опоки осуществлялась в сравнении с активностью микрокремнезема. Бетоны были изготовлены из Пензенского цемента ЦЕМ 42,5 Н, песка Сурского и щебня гранитного фр. 5-10 мм, очень дешевого суперпластифкатора Fortreis Strong. Результаты сравнения показаны в таблицах 3 и 4.

Таблица 3. Бетон с высокодисперсным термолитом

Прочность бетона после пропаривания с дисперсной термоактивированной опокой оказалась всего на 9 % ниже, чем у бетона с микрокремнеземом и составляла 64,6 МПа.

Таблица 4. Бетон с микрокремнеземом

Таким образом, пропаренный бетон с реакционно-активным высокодисперсным термолитом хорошо относится к тепловой обработке. Обожженный термолит очень легко размалывается до S_уд=11000-14000 см²/г и при такой дисперсности легко связывает гидролизную известь в гидросиликаты кальция.

Объемы производства высокодисперсного термолита для Пензенских заводов ЖБИ можно ориентировочно рассчитать, учитывая то, что дозировка её составляет 8-10 % от массы цемента. При перспективном производстве сборного железобетона в объеме 200 тыс. м³ в год ВДТ потребуется 7-8 тыс. тонн, в сутки 20-25 тонн.