Основные понятия. Вспучивающихся горных пород и минералов

Вспучивающихся горных пород и минералов

К вспучивающимся горным породам относятся водосодержащие стеклообразные изверженные горные породы (перлиты, обсидианы, витрофиры туфы, пехштейны), а также вторичные слюды (вермикулит и т.д.).

Обсидианы содержат до 1% H₂O, перлиты 1-6%, остальные вулканические стекла – более 6%. В промышленности термин «перлиты» используют по отношению ко всем вулканическим стеклам, содержащим 1-10% воды и имеющих следующий химический состав: SiO₂-37-42%; Al₂O₃-11-15%; Fe₂O₃-0,2-4%; CaO+MgO-0,3-6%; R₂O-2,5-9%; H₂O-0,3-10%.

Вермикулит – это высокогидратированная слюда переменного химического состава, не имеющая точной и однозначной химической формулы.

Общим свойством для вспучивающихся горных пород является способность к значительному увеличению объема зерен породы за счет интенсивного ухода из них связанной воды при высокотемпературной обработке.

Вспучивание предварительно диспергированной породы происходит в момент приобретения ею пластично-вязкого (пиропластического) состояния при нагревании и связано с переходом содержащейся в нем молекулярной воды в виде пара.

Эффективность процесса вспучивания перлита оценивается коэффициентом вспучивания.

Перлит вспученный – пористый сыпучий материал в виде песка или щебня, получаемый вспучиванием при обжиге дробленых вулканических водосодержащих пород (перлита, обсидиана, витрофира, витробазальта). Производство вспученного перлита включает подготовку сырья, предварительную тепловую обработку и вспучивание. Добытая перлитовая порода при необходимости подсушивается в сушильном барабане, измельчается в щековой и молотковой дробилках и рассеивается на фракции. Если влажность дробленого материала превышает 1-3%, то предусматривается его обработка во вращающейся печи при температуре 200-400⁰С в течение 3-5 мин, за которой следует обжиг (вспучивание) перлита вертикальных шахтных или наклонных трубчатых (вращающихся и не вращающихся) печах, а также в установках с кипящим слоем. Пофракционным обжигом в шахтных печах получают вспученный песок. Зерна перлита загружаются сверху и движутся вниз в восходящем потоке горячих газов. При этом они прогреваются, размягчаются и, достигнув температуры 800-1050⁰С, быстро вспучиваются вследствие резкого испарения содержащейся в них воды. Вспученный перлит, приобретая парусность, выносится газовоздушным потоком в верхнюю часть печи, откуда по трубопроводу поступает в бункер готовой продукции.

Трубчатая невращающаяся печь для получения вспученного песка представляет собой трубу диаметром 600 мм, врезанную под углом 10⁰ в цилиндрическую часть печи диаметром 1500 и высотой 700 мм, и работающую по принципу прямотока. Дробленый перлит засыпается в трубу, где вспучивается и переносится горячим воздухом в цилиндрическую часть печи. Часть вспученного материала осаждается, а другая засасывается газоходом в бункер-осадитель. Вспученный перлит состоит из зерен размером 0,25-2,0 мм и имеет насыпную плотность 60-100кг/м³. Для получения вспученного щебня и крупного песка используют вращающиеся барабанные печи длиной 6-10м и внутренним диаметром 0,45-1,54 м, установленные под углом к камере выгрузки. Вспучивание зерен происходит в процессе перемещения по раскаленной футеровке печи, омываемой факелом пламени от сгорания жидкого или газообразного топлива. На выходе из печи мелкие частицы уносятся с дымовыми газами в циклон, откуда поступают в расходные бункера, а щебень транспортируется из разгрузочной камеры печи в бункера – накопители готовой продукции. Печь с кипящим слоем твердого теплоносителя разработана ВНИИСтромом и предназначена для получения перлитового щебня. Замена газообразного теплоносителя твердым (кварцевым песком) сокращает длительность обжига и расход топлива за счет более эффективного теплообмена между теплоносителем и зернами перлита. В процессе вспучивания перлит поднимается в верхний слой теплоносителя и вместе с частью кварцевого песка выгружается из печи. После сепарации теплоноситель возвращают в печь. В зависимости от величины вспученного перлита различают песок и щебень. В свою очередь, вспученный перлитовый песок подразделяют на рядовой, содержащий любые фракции с размером зерен d<5мм, крупный (d=1,25-5мм), порошок (d=0,14-1,25мм) и пудру (d<0,14мм). Вспученный перлитовый щебень выпускают двух фракций: 5-10 и 10-20 мм.

Вспученный перлит – огне- и биостойкий, химически инертный материал - применяют в качестве заполнителя при изготовлении теплоизоляционных изделий и бетонов, огнестойких штукатурок, теплоизоляционных засыпок (песок), в том числе в холода (порошок, пудра). Для нужд сельского хозяйства используется агроперлит. В качестве адсорбента используют в промышленности фильтроперлит.

Термоперлит – новый теплоизоляционный материал, состоящий из вспученного перлита и щелочных добавок. Технология изготовления включает следующие основные переделы: приготовление формовочной массы, двустороннее прессование; сушку и тепловую обработку при температуре 570…580 С, обеспечивающую спекание частиц вспученного перлита в течение 1…1,5 ч. Термоперлит имеет плотность 150…200 кг/м ; прочность при сжатии 0,2…0,5 МПа, изгибе 0,15…0,25 МПа, теплопроводность 0,051…0,058 Вт/(м×град). Максимальная температура применения 600 С.

По общему признанию, на обозримую перспективу бетон остается основным материалом для производства строительных конструкций и изделий, важное место, среди которых занимают ограждающие конструкции зданий. Значительную часть таких конструкций выполняют из легких бетонов на пористых заполнителях. Для того чтобы бетон не утратил своих лидирующих позиций, необходимо непрерывно повышать его качество, расширять диапазоны его применения. В первую очередь следует добиваться повышения его прочности и улучшения теплозащитных свойств.

В связи с этим заслуживает внимания повышение эффективности использования перлитового сырья, из которого в настоящее время производят вспученный перлит в виде щебня и песка. Промышленные запасы перлитового сырья разведаны и частично разрабатываются в Восточной Сибири, на Дальнем Востоке, на Камчатке, в странах ближнего и дальнего зарубежья: Армении, Грузии, Болгарии, Греции, США и многих других. Расширение масштабов применения вспученного перлита в строительстве сдерживается, в первую очередь, его низкой прочностью и высоким водопоглощением.

Как это ни парадоксально, но с низким качеством вспученного перлита уже смирились. Предлагались различные способы улучшения готового вспученного перлита, например, путем его гидрофобизации, затаривание перед использованием в качестве теплоизолятора в водонепроницаемые мешки (мешкоперлит) и т.п. Однако технология получения вспученного перлита оставалась неизменной: кратковременное высокотемпературное воздействие на перлитовое сырье с целью его вспучивания. При такой термообработке в материале неизменно возникали многочисленные трещины, которые не только ослабляли вспученный перлит, но и служили путями проникновения в материал влаги. Отсюда низкая прочность и высокое водопоглощение.

В отличие от традиционной баротермальная технология позволила отделить нагревание стеклянной составляющей до пирокластического состояния от процесса вспучивания. Это удалось осуществить благодаря тому, что нагревание происходило в атмосфере водяных паров при повышенном давлении, что позволяет плавно, без образования трещин нагреть перлит до размягчения, не потеряв связанную стеклом воду, а затем сбросить давление. При атмосферном давлении водяной пар выделяется и образует в тестообразном стеклянном расплаве большое количество увеличивающихся пузырьков – происходит процесс вспучивания, т.е. увеличение объема каждой обрабатываемой гранулы без разрушения стекла. С точки зрения физической химии, вспучивание при баротермальной обработке следует рассматривать как процесс пенообразования конденсационным способом. При охлаждении стекло утрачивает пиропластичность, затвердевает, а пена превращается в пеноид (пеноподобный материал).

Перлит, полученный в результате баротермальной обработки перлитового сырья, получил название «баротелит». Сравнение баротелита с перлитом, вспученным традиционным способом показывает, что он в 7 раз прочнее, а его водопоглощение в 4 раза ниже, чем у перлита.

Сочетание высоких физико-механических свойств баротелитовых заполнителей с широким диапазоном гранулометрического состава создает предпосылки для получения на их основе эффективных легких бетонов.

Характеристика баротелитобетона приведена в таблице 6.

Таблица6

Физико-механические свойства

баротелитобетона

№	Средняя плотность бетона, кг/м	Условия твердения	Прочность при сжатии, МПа	Водопогло-щение, % по массе	Теплопро- водность, Вт/м С	Морозо-стойкость, циклы
		Н.у.,28сут	2,6	7,6	0,09
		ТВО	2,5	7,3	0,105
		Н.у.,28сут	5,0	7,0	0,11
		ТВО	4,0	6,3	0,11
		ТВО	6,9	5,3	0,15

Высокоразвитая поверхность гранул обеспечивает формирование хорошей контактной зоны с цементным камнем Низкая средняя плотность (в куске), низкое водопоглощение и высокая прочность зерен баротелита способствуют получению легких бетонов, обладающих высокими физико-механическими показателями.

На основе баротелита могут быть получены легкие бетоны со средней плотостью от 400 до 800кг/м при прочности 2,5…10МПа и морозостойкостью 50…75циклов.

Вермикулит

Вспученный вермикулит – сыпучий теплоизоляционный материал со слоистой сообщающейся пористостью, зерна которого состоят из пакетов деформированных слюдяных пластин, имеющих золотисто-латунный цвет.

В сырьевом вермикулите содержится химически связанная вода, межпакетная, адсорбированная на плоскостях спайности цеолитная, гигроскопическая. Главную роль при вспучивании играет уход межпакетной и химически связанной воды в интервале температур 200-1000⁰С.

При этом расщепляются и раздвигаются пластины слюд в направлении, перпендикулярном плоскости спайности, с увеличением объема зерен в 15 и более раз.

Качество вспучивания вермикулита оценивают коэффициентом вспучивания, которое колеблется (4-10).

Уменьшение размера зерен вспученного вермикулита увеличивает его среднюю плотность. Оптимальным является время обжига 2-3 мин при температуре 900-1000⁰С. Увеличение продолжительности обжига при этих температурах снижает его среднюю плотность, но вызывает резкое возрастание хрупкости продукта.

На вспучивание направляют частицы не более 15мм.

Обжиг может производиться в шахтных и трубчатых печах во взвешенном состоянии. В шахтных печах частицы сырья, подаваемые сверху через загрузочные воронки, попадают в восходящий поток горячих газов, вспучиваются и падают в бункер по наклонному поду печи. Обязательным требованием в данном случае является однородность сырья по фракционному составу и степени гидратации, иначе более крупные или менее гидратированные частицы не успеют полностью вспучиться.

Трубчатая печь позволяет использовать полифракционное сырье с различным содержанием воды. Печь состоит из верхнего вращательного барабана, где сырье сушится отходящими газами, и нижней неподвижной трубы, где происходит вспучивание сырья. Вспученный продукт собирается в циклонной камере.

Агрегат работает на жидком и газообразном топливе по принципу прямотока, что позволяет применять сырье разной гранулометрии, т.к. мелкие частицы, быстрее вспучиваясь, раньше уносятся из печи, а более крупные задерживаются до полного вспучивания и затем тоже уносятся потоком газов.

Вспученный вермикулит делят на 3 марки (100, 150, 200), а по фракционному составу - на крупный размер зерен (5-10 мм), средний 0,6-5 мм и мелкий (менее 0,6 мм).

Теплопроводность материала составляет 0,056-0,07 Вт/м×гр. и зависит от средней плотности, размера зерен и температуры эксплуатации.

Вспученный вермикулит обладает высокой термостойкостью, что позволяет использовать его для высокотемпературной изоляции до 1100⁰С. Водопоглощение высокое за счет открытой пористости. Он биостоек, малогигроскопичен, в отличие от перлита обладает упругостью, т.е. способностью частично восстанавливать свой объем после снятия нагрузки.

Дата добавления: 2014-11-18