Применение керамзита при строительстве

В результате вспучивания глин при быстром обжиге в
определенных условиях получается легкий поризованный материал с
мелкоячеистой структурой, обладающей малой плотностью при значительной
прочности и высокими теплозащитными свойствами — керамзит.

В отличие от плотных, пористых и пустотелых
керамических материалов и изделий, вырабатываемых из глин, вспученный
при обжиге глинистых пород материал ячеистого строения называют
керамзитом. Это название подчеркивает родство керамзита с керамикой и
стеклом. Оно учитывает не переменные признаки (метод производства и
область применения), а постоянно действующие факторы (природу исходного
сырья, физико-химический процесс образования и свойства продукта).

Сначала вспучивание глин вели в горнах периодического
действия и туннельных печах, а затем в одноцилиндрических вращающихся
печах и на решетках с принудительным прососом воздуха, позднее
внедрились новые перспективные методы вспучивания: в двухбарабанных
печах, в кипящем слое, в кольцевых, шахтных и других печах. Каждый метод
изготовления керамзита обладает своими специфическими особенностями: в
горнах, туннельных и кольцевых печах, на колосниковых решетках получают
глыбы вспученной массы, требующей последующего дробления на щебень и
песок; в капселях – изделия правильной формы, во вращающихся и кольцевых
печах, в кипящем слое – различной крупности гранулированный вспученный
материал округлой формы со спекшейся корочкой и шероховатой
поверхностью.

В последние десятилетия в производстве керамзитового
гравия наряду с классическими легкоплавкими глинистыми породами
вовлекаются различные отходы углеобогащения, золы и шлаки тепловых
электростанций, а также трепела, диатомиты и т.п. Производство
искусственных пористых заполнителей на их основе осуществляется по
технологии керамзита, свойства получаемых заполнителей оцениваются по
общему стандарту. Так, ГОСТ 9759-83 распространяется на керамзитовый
гравий и песок, представляющие собой искусственный пористый материал,
получаемый вспучиванием при обжиге подготовленных гранул (зерен) из
силикатных пород (глин, суглинков, различных сланцев, трепела,
диатомита, опок, аргилита, алевролита) и промышленных отходов – зол и
шлаков тепловых электростанций, отходов углеобогащения, а также на
песок, получаемый дроблением керамзитового гравия и применяемых в
качестве заполнителей при изготовлении теплоизоляционных и
конструктивных (в том числе конструкционно-теплоизоляционных) легких
бетонов. Правомерно поэтому перечисленные в этом стандарте заполнители
для бетона назвать материалами типа керамзита.

Производство керамзита в России характеризуется
исключительно быстрыми темпами развития. За 23 года с момента постройки
первых керамзитовых предприятий, выпустивших в 1960 г. около 1 млн. м3
керамзита, и до 1983 г., объем его производства возрос в 30 раз,
достигнув 30 млн. м3, что составляет 86% общего объема выпущенных в этом
году всех искусственных пористых заполнителей. Создав новую важную
отрасль прогрессивных строительных материалов – промышленность
керамзита, Россия, опередив США по объему производства еще в 1965 г.,
вышла на первое место в мире. Керамзит изготавливался во всех регионах
России, кроме Армении, богатой природными пористыми материалами.

В последние годы стали предъявлять все более повышенные
требования к качеству керамзита и керамзитобетона, а также
технико-экономическим показателям из производства и применения. Уже в
1987 анализ номограммы расчета толщины керамзитобетонных стеновых
панелей показывал, что сборное домостроение на базе однослойных стеновых
керамзитобетонных панелей с надежной тепловой защитой экономически
оправдано и конкурентоспособно с другими конструкциями в том случае,
если исходный для их изготовления керамзитовый гравий будет иметь
насыпную плотность не выше 350 – 400 кг/м3 при прочности и зерновом
составе, отвечающим требованиям действующего стандарта, а все остальные
технико-экономические показатели его изготовления – расходы топлива,
затраты труда и т.д. – будут снижены в 2 – 3 раза.

Керамзит получают, главным образом, в виде
керамзитового гравия. Зерна его имеют округлую форму. Структура
пористая, ячеистая. На поверхности его часто имеется более плотная
корочка. Цвет керамзитового гравия обычно темно-бурый, в изломе – почти
черный. Вспучивание глины при обжиге связано с двумя процессами:
газовыделением и переходом глины в пиропластическое состояние.
Источниками газовыделения являются реакции восстановления оксидов железа
при их взаимодействии с органическими примесями, окисления этих
примесей, дегидратации гидрослюд и других водосодержащих глинистых
минералов, диссоциации карбонатов и т.д. В пиропластическое состоянии
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
газонепроницаемой и вспучивается выделяющимися газами. ГОСТ 9759-83
предусматривает следующие фракции керамзитового гравия по крупности
зерен: 5…10, 10…20 и 20…40 мм. В каждой фракции допускается до 10% более
мелких и до 10% более крупных зерен по сравнению с номинальными
размерами. Из-за невысокой эффективности грохочения материала в
барабанных грохотах трудно добиться 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.
Чем крупнее фракция керамзитового гравия, тем, как правило, меньше
насыпная плотность, поскольку крупные фракции содержат наиболее крупные
гранулы. Для каждой марки по насыпной плотности стандарт устанавливает
требования к прочности керамзитового гравия при сдавливании в цилиндре
(Табл. 1). По заказам потребителей для приготовления конструкционных
легких бетонов стандарт допускает выпуск керамзитового гравия также М700
и 800 с прочностью при сдавливании в цилиндре соответственно не менее
3,3 и 4,5 МПа.

Таблица 1. Требования к прочности керамзитового
гравия.

Испытание керамзитового гравия в цилиндре
дает лишь условную относительную характеристику его прочности, причем
сильно заниженную. С.М. Ицкович впервые указал на это в 1962г. и
установил, что действительная прочность керамзита, определенная при
испытании в бетоне, в 4…5 ра превышает стандартную
характеристику. 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.

Маркировка по прочности позволяет сразу наметить
область рационального применения того или иного керамзита в бетонах
соответствующих марок. Более точные данные получают при испытании
заполнителя в бетоне. В зависимости от особенностей сырья и технологии
производства действительная прочность керамзита может отличаться от
расчетной, но предварительная ориентировочная ее оценка все же дает
представление о возможности и целесообразности использования данного
керамзита для получения бетонов требуемых классов по прочности.
Приведенные числовые значения расчетной прочности керамзитового гравия
показывают, что этот пористый заполнитель может быть достаточно прочным
и пригодным для высокопрочных легких конструктивных бетонов, несмотря на
низкие показатели при стандартном испытании. Зерна керамзитового гравия
могут иметь шарообразную или вытянутую форму, что зависит от формы
сырцовых гранул. По стандарту среднее значение коэффициента формы 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 качество таких зерен допускается не более 15% по массе.

Содержание расколотых зерен в керамзитовом гравии
допускается не более 10…15% по массе в зависимости от категории
качества.

Керамзитовый гравий должен выдерживать не менее 15
циклов попеременного замораживания и оттаивания в насыщенном водой
состоянии в потерей массы данной фракции не более 8%.

При испытании кипячением потеря массы не должен
превышать 5%. Таким испытанием выявляется наличие опасных известковых
включений – «дутиков».

Ограничивается водопоглащение (не более 20…30% по массе
за 1 ч в зависимости от марки), содержание водорастворимых сернистых и
сернокислых соединений. Эти и другие требования стандарта обеспечивают
стойкость и долговечность керамзита, а также легких бетонов на его
основе.

В соответствии с ГОСТ 9757-83 коэффициенты вариации
насыпной плотности и прочности пористых заполнителей высшей категории
качества по результатам систематических испытаний за 12 мес. работы не
должно превышать соответственно 5 и 15%. Правда, указанные требования
стандарта относятся к керамзиту высшей категории качества, а к обычному
керамзиту требования по однородности пока не предъявляются. По данным
исследователей, изучавших качество керамзита на многих предприятиях,
керамзит везде неоднороден. Очевидно, это предопределено самой
технологией получения керамзитового гравия, когда каждая гранула
вспучивается по разному при неоднородности сырья и непостоянстве
температурных условий в печи. В результате керамзитовый гравий – это
совокупность неодинаковых вспученных гранул различной плотности и
прочности. Применяя такой неоднородный заполнитель, невозможно получить
однородный по качеству бетон. Чтобы конструкции были достаточно надежны
по прочности, надо участь минимальную статистически вероятную прочность
заполнителя, а при расчете массы и теплопроводности – принять возможную
максимальную его плотность. Если заполнитель неоднороден, то расчетные
характеристики бетона и эффективность его применения в конструкциях тем
самым занижаются.

Считается, что керамзитовый гравий и другие пористые
заполнители 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 технология. В технологиях легких бетонов
нередко рекомендуется предварительно увлажнять пористые заполнители,
чтобы уменьшить поглощение ими воды из бетонной смеси. В связи с этим, в
ряде случаев целесообразно проводить сепарацию керамзитового гравия в
воде. Вода – подходящая среда для разделения керамзита по плотности
зерен на два класса.

НИИкерамзитом разработаны основные положения по
контролю качества керамзита. Под техническим контролем качества
подразумевается совокупность операций по обеспечению выпуска продукции
высокого качества при оптимальных технико-экономических показателях его
производства, что достигается, во-первых, поддержанием процесса
производства на заданном технологической картой уровне и, во-вторых,
совершенствованием процесса производства путем сбора и анализа данных о
качестве сырья и продукции, технологических параметрах, установления
связи между ними, составления новых принципов ведения процесса на основе
вскрытых закономерностей. В зависимости от места организации технический
контроль подразделяется на входной контроль – контроль глинистого сырья,
добавок, технологического топлива, огнеупоров и других материалов,
поступающих на производство; операционный контроль – контроль качества
материалов и технологических параметров в ходе производства; приемочный
контроль – контроль качества продукции после завершения всех
технологических операций по ее изготовлению.

Операционный контроль, в свою очередь, делится на
оперативный, осуществляемый обслуживающим персоналом, и технологический,
осуществляемый службами ОТК и заводской лабораторией.

Операционный контроль выполняется на отдельных
переделах и включает визуальный осмотр качества материалов, контроль по
приборам за работой основного технологического оборудования. Информация
оперативного контроля обеспечивает поддержание процесса на заданном
уровне, она позволяет обслуживающему персоналу управлять агрегатами в
соответствии с требованиями технологических карт. Технологический
контроль выполняется, главным образом, с целью постоянного сбора
информации о режимах производства, о качестве перерабатываемого
материала и готовой продукции. Полученная информация используется для
разработки рекомендаций по совершенствованию технологического процесса.

Для повышения надежности принятия решения о
необходимости регулирования процесса обжига оперативный контроль может
выполняться с помощью контрольных карт, являющихся носителями
статистической информации о состоянии технологического процесса.