автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Активированные кремнистые заполнители для легких конструкционных бетонов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ Самарская государственная архитектурно-строительная академия

На правах рукописи

Баранова Маргарита Николаевна

АКТИВИРОВАННЫЕ КРЕМНИСТЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ ДЛЯ ЛЕГКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ БЕТОНОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук,

профессор С.Ф. Коренькова

Самара 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................................................................................................5

1. Перспективы применения кремнистых пород в производстве заполнителей для бетонов. (Состояние вопроса и задачи исследования)..............................7

1.1. Генетико-петрографическая характеристика кремнистых пород.......7

1.2. Процессы, происходящие в кремнистом сырье при нагревании.....13

1.3. Кремнистые заполнители и бетоны на их основе..............................23

1.4. Выводы по главе. Рабочая гипотеза. Цель и задачи исследования.............................................................................................................28

2. Методы исследования кремнистых пород.................................................31

2.1. Классические методы исследования...................................................31

2.2. Авторские методы исследования.........................................................34

2.2.1. Люминесцентный метод оценки степени фазовых превращений при обжиге кремнистых пород................................................................................34

2.2.2. Метод микроскопического анализа структуры...........................34

2.2.3. Экспресс-метод определения качества обжига термообработан-ных кремнистых пород.............................................................................................35

3. Свойства кремнистых пород.......................................................................38

3.1. Общая физико-химическая характеристика.......................................38

3.2. Классификация по петрохимическим модулям.................................45

3.3. Свойства кремнистого сырья конкретных месторождений..............47

3.4. Выводы по главе....................................................................................52

4. Физико-химические процессы, происходящие при обжиге и охлаждении кремнистых опал-кристобалитовых пород............................................................56

4.1. Структурные и фазовые превращения при термообработке............56

4.2. Структурные и фазовые превращения при охлаждении...................72

4.3. Выводы по главе....................................................................................79

5. Влияние термохимической активации сырья на свойства заполнителей81

5.1. Оценка кремнистого сырья по химическому составу.......................81

5.2. Влияние химического состава сырья на кажущуюся плотность заполнителей.................................................................................................................85

5.3. Термохимическая активация кремнистых пород...............................89

5.4. Оптимизация состава шихты и технологических процессов...........99

5.5. Выводы по главе..................................................................................112

6. Внедрение научно-практических исследований в производство и технико-экономические преимущества..........................................................................115

6.1. Производственные испытания...........................................................115

6.1.1. Выпуск опытных партий заполнителя с подготовкой сырья по пластической технологии и обжигом во вращающейся печи............................115

6.1.2. Выпуск опытной партии пористого заполнителя с обжигом в печи псевдоожиженного слоя................................................................................124

6.1.3. Выпуск опытной партии пористого заполнителя с корректирующей добавкой....................................................................................................126

6.2. Разработка технологических схем производства пористых заполнителей из кремнистых пород и выбор технологического оборудования...........130

6.2.1. Технологическая схема производства пористых заполнителей с пластическим формованием полуфабриката.......................................................130

6.2.2. Технологическая схема производства термолита по сухому способу...........................................................................................................................134

6.3. Технико-экономическая эффективность...........................................136

6.4. Выводы по главе..................................................................................138

7. Легкие бетоны на кремнистых заполнителях.........................................140

7.1. Выводы по главе..................................................................................149

Основные выводы...........................................................................................150

Литература.......................................................................................................154

Приложения

1. Акт внедрения люминесцентного метода на кафедре "Строительные материалы" СамГАСА, г. Самара..............................................................................166

2. Акт внедрения люминесцентного метода на опытном заводе "НИИЦЕМЕНТ", г. Подольск................................................................................167

3. Акт внедрения результатов диссертационных исследований во ВНИИ-Геолнеруд, г. Казань...............................................................................................168

4. Акт о внедрении в учебный процесс основных положений и результатов диссертационной работы в СамГАСА, г. Самара...............................................169

5. Указания по технологии производства термолита из диатомитов для легких конструкционных бетонов........................................................................171

6. Указания по технологии производства термолита из опок для легких конструкционных бетонов.....................................................................................173

7. Справка о промышленных и опытно-промышленных испытаниях по использованию кремнистых пород при получении заполнителей для легких конструкционных бетонов...........................................................................................175

ВВЕДЕНИЕ

По данным ведущих проектных и научных институтов России легкие бетоны применяются для изготовления строительных конструкций и изделий широкой номенклатуры:

для жилищно-гражданского строительства - ограждающие и несущие конструкции крупнопанельных зданий, блоки наружных и внутренних стен, панели наружных стен для каркасных общественных зданий, многопустотные панели перекрытий, панели совмещенных крыш;

для промышленного строительства - панели стен ленточной разрезки, крупные блоки стен, ригели, панели перегородок;

для сельскохозяйственного строительства - панели наружных стен (в том числе укрупненные, повышенной заводской готовности), плиты покрытий.

Следует учитывать, что собственная масса несущих конструкций из легких бетонов благодаря их низкой плотности до 1,5 раз, а при использовании в качестве мелкого заполнителя относительно прочных пористых песков - до 2 раз меньше, чем аналогичных конструкций из тяжелого бетона. Применение легких бетонов (и в ограждающих, и в несущих конструкциях зданий) упрощает технологию производства работ на предприятиях стройиндустрии, приводит к снижению трудозатрат, транспортных расходов, сметной стоимости строительства, уменьшению массы зданий.

Традиционным искусственным заполнителем для легких бетонов теплоизоляционного и конструкционно-теплоизоляционного назначения считается керамзитовый гравий. Недостаточная прочность его для применения в бетонах конструктивного назначения, а также отсутствие в ряде регионов природного каменного сырья для щебня, выдвигает задачу поиска другого распространенного природного сырья для производства искусственных заполнителей для конструкционных бетонов. Таким сырьем являются кремнистые опал-кристобалитовые породы, к которым относятся диатомиты, опоки и трепелы.

Эти осадочные породы, сложенные преимущественно опалом и кристобалитом, широко распространены на территории Российской Федерации.

Научно-исследовательские работы, выполненные в АО "НИИКерам-зит", ВНИИСтроме, Харьковском инженерно-строительном институте и др. организациях, показали целесообразность и возможность получения на основе кремнистого сырья обширной гаммы заполнителей для конструктивно-теплоизоляционных и конструктивных бетонов различного назначения.

Всестороннее исследование более 50 месторождений опок, трепелов и диатомитов в АО "НИИКерамзит" показало, что заполнители на их основе ха-

о

рактеризуются насыпной плотностью от 300 до 1000 кг/м и прочностью в пределах 3,0... 12,0 МПа.

Однако, отсутствие исследований по влиянию исходного состава кремнистого сырья и фазовых превращений при обжиге и охлаждении на свойства заполнителей, не позволяет организовать выпуск заполнителей определенных марок стабильного качества.

В связи с этим решение данной задачи является весьма актуальным и требует выполнения целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований.

Данная работа выполнялась в АО НИИКерамзит и на кафедре Строительные материалы СамГАСА.

1. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КРЕМНИСТЫХ ПОРОД В ПРОИЗВОДСТВЕ ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ БЕТОНОВ

(СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ) 1.1. Генетико-петрографическая характеристика кремнистых пород

Россия располагает крупнейшей в мире базой кремнистого опал-кристобалитового сырья (табл. 1.1), наиболее продуктивные запасы которого сосредоточены в Урало-Поволжском регионе, а именно Нижне-Сызранском горизонте морского происхождения [1,2,3]. Зона преобладающего развития чистых разностей кремнистых пород включает, в основном, правобережную часть Волги. В северной части этой зоны (Ульяновская, Самарская, Пензенская области и Мордовия) широко развиты диатомиты с мощностью пластов до 70 м. В центральных районах Европейской части располагаются многочисленные месторождения трепелов и опок. На северо-востоке Московской и западе Владимирской областей продуктивная толща трепелов достигает мощности до 27 м. В Смоленской, Брянской, Калужской, Орловской, Волгоградской, Курской областях залегают трепелы и опоки пластами мощностью, не превышающей 16 м. Четвертичные отложения севера Тюменской области почти сплошь сложены диатомитами и опоками, обнажающимися на поверхности в виде куполов пучения. Во многих районах Урала и особенно Тюменской области запасы кремнистых пород являются единственным сырьем для получения заполнителей бетонов, что имеет особое значение для освоения районов нефтегазовых месторождений.

Вопросам распространения, происхождения и состава опал-кристобалитовых (кремнистых) пород посвящено большое количество работ, начиная с прошлого столетия и по настоящее время [2,4 - 24], которые углубляют и расширяют представление о генезисе, вещественном составе и свойст-

вах, дают современную классификацию, определяет их роль и место в общей систематике осадочных толщ.

Кремнистые породы входят в группу осадочных и вулканогенно-осадочных, состоящих в основной массе из аморфного кремнезема в виде опала. Это тонкопористые породы, сложенные скелетами диатомей, радиолярий, спикулами губок или мелкими глобулами из опал-кристобалитовых частиц.

Таблица 1.1

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УЧТЕННЫХ ЗАПАСОВ КРЕМНИСТОГО СЫРЬЯ ПО ВИДАМ ГОРНЫХ ПОРОД И КАТЕГОРИЯМ (Балансовые запасы по России)

Наименование горных пород Количество месторождений А+В, тыс. мЗ А+В+С1, тыс. мЗ А+В+С1, % к общим запасам

Диатомиты 18 55484 97205 44.1

Трепелы 14 59536 98030 44,4

Опоки 4 25072 25141 11,5

Всего 36 140092 220376 100

По мнению Страхова Н.М. [5], Жижченко Б.П. [9] и др. [16,17] опал в опоках и трепелах отложился первоначально биогенным путем. В последующем времени (в стадию диагенеза - катагенеза) происходило преобразование, перераспределение его с формированием глобулярной и микрозернистой структуры. По мнению Жукова М.М., Славина В.И. и Дунаева H.H. [10], а также Лог-виненко Н.В. [11], Гринсмита Дж. [12], Заридзе Г.М. [13] и др. [18-21] образование опала происходило как биогенным так и хемогенным путем. Происхождение пород оказывает существенное влияние на структурные особенности сырья для получения строительных материалов.

Имеется много классификаций кремнистых пород, основанных на совокупности генетических, петрографических и микроструктурных признаков. Наиболее полная классификация осадочных опал-кристобалитовых пород

предложена Дистановым У.Г. и др. [2,22,24] в которой выделено две группы. К первой группе авторы относят породы, состоящие из кремниевых скелетов микроорганизмов: диатомиты, спонголиты, радиоляриты. Ко второй - породы химического осаждения, представленные бесструктурными, глобулярными частицами опала: опоки, трепелы.

ДИАТОМИТЫ - легкие тонкопористые породы, сложенные мельчайшими опаловыми створками или обломками диатомовых водорослей. Окраска диатомитов белая, серая иногда буро- и темно-серая. Плотность составляет 0,25...0,7 г/см3.

Радиоляриты - тонкопористые кремнистые породы, сложенные опал-кристобалитовыми скелетами радиолярий размером 0,08...0,15 мм. Окраска от

л

светло-серой до буровато-серой с плотностью 1,1...1,2 г/см . Наряду с радиоляриями в этих породах отмечается присутствие остатков растворения скорлупок диатомей.

ОПОКИ - легкие плотные тонкопористые породы, состоящие из мельчайших (менее 0,005...0,001 мм) изометрических и неправильных частиц опал-кристобалитового состава. Цвет их от темно-серых до светло- и желто-серых для выветренных разновидностей. Эти породы характеризуются высокой твердостью и повышенной плотностью в пределах 1,2... 1,6 г/см3, крепкие, звонкие при ударе, с полураковистым и раковистым изломом.

ТРЕПЕЛЫ - легкие тонкопористые породы, сложенные в основной массе мельчайшими бесструктурными частицами опала и кристобалита, а также глинистых минералов. По внешнему виду они напоминают диатомиты. Окраска их

о

от светло-серой до темно-бурой. Плотность трепелов - 0,7... 1,2 г/см .

Хворовым И.В., Дмитруком А.Л. [14] и в работах Хэтч Ф. [23] при изучении микроструктуры кремнистых пород электронномикроскопическим методом установлено, что в диатомитах структура неоднородная - колломорфная и хлопьевидная и имеет губчатую поверхность. Кристалломорфные кремнистые частицы отсутствуют, но часто встречаются цеолиты.

Микроструктура опок, по мнению этих же авторов, сложная, в основном, глобулярная. Она изменяется от однородной, микропелитовой до осложненной присутствием более крупных глобуль и их агрегатов или удлиненных палочко-и прутиковидных частиц. Встречаются участки колломорфного строения. Для многих образцов характерно сгустково-глобу-лярное строение или микрофрагментарное строение. В этом случае порода состоит из неправильных, обтекаемой формы сгустков (0,5... 1 мм), частично слившихся или из более угловатых частиц, похожих на детрит (1...5 мк). Все они имеют тонкую глобулярную структуру. В опоках, образованных на платформах (устойчивых участках земной коры), не обнаружены кристалломорфные частицы кремнистого состава, а в опоках, образованных в геосинклинальных (подвижных участках земной коры), нередко встречаются скопления хорошо ограненных кристаллов кварца. Терригенная примесь присутствует в кремнистых породах в том или ином количестве и представлена агрегатами глинистых минералов и редко рассеянных зерен алеврита и песка. В этих породах преобладает аморфный кремнезем -опал, который по Айлеру Р.К. [15] и Диру У.А. [24] состоит из чрезвычайно малых частиц или пористых агрегатов с развитой внутренней поверхностью, содержащей группы БЮН за счет осаждения коллоидных частиц.

Природный опал, по мнению многих авторов [15,16,18,19,20,21,22], может содержать большое количество воды: от 4 до 32 мас.%, которое удерживается внутри структуры и испаряется частично. В опале возможны примеси кальция, алюминия, калия, натрия, железа, магния, иногда хрома, никеля, кобальта и марганца.

Дэн Дж. и др. [20,21,22] рассматривают опал в качестве разновидности кристобалита, аналогично тому, как халцедон рассматривается в качестве разновидности кварца. Эти авторы характеризуют опал, как разупорядоченную разновидность низкотемпературного кристобалита. Разупорядоченность объясняют вхождением в структуру катионов, а также групп ОН и Н20 в виде твердых растворов. Поэтому опаловый кристобалит представляет собой не чис-

тый кремнезем, а "начиненную" производную его. В кристаллическом веществе опала преобладают трехслойные пакеты (опаловый кристобалит). Разупоря-дочение опала обусловлено вхождением в структуру таких катионов, как А1, Са, Мц, и щелочи. Частично эти компоненты могут находится в виде твердых растворов. Уэллс М. [23] также считает, что в опалах иногда видны тончайшие волокна и стяжения халцедона. По энциклопедическим данным [21,22] плот-

л

ность опала составляет 1,99...2,25 г/см , твердость по шкале Мооса 5,5...6,5, в проходящем свете поляризационного микроскопа показатель преломления 1,435... 1,455 (повышение происходит за счет сокращения количества воды).

Джонс Дж. и Сеньи Э. [26] предложили схематическую классификацию опала с целью упорядочения номенклатуры природных водных соединений кремнезема: опал-С упорядоченный низкотемпературный кристобалит; опал-СТ неупорядоченный низкотемпературный кристобалит и низкотемпературный тридимит, содержится в опоках; опал-А сильно неупорядоченный почти аморфный, содержится обычно в диатомитах. Другой распространенной формой кремнезема в кремнистых породах является кристобалит. Он имеет две модификационные формы: низкотемпературную, устойчивую до 175 °С и высокотемпературную, устойчивую от 1470 до 1728 °С. Крист�