Аглопорит, полученный из отходов углеобогащения, как заполнитель для легких бетонов

В России накоплено свыше 85 млрд т твердых угольных отходов и в соответствии с энергетической стратегией развития объем ежегодно образующихся отходов в ближайшие годы может превысить 3 млрд т. При этом основная часть отходов, 85%, приходится на Кузбасс. Из всех угольных отходов только 3% используется в создании товарной продукции [1].

Крупнотоннажные отходы производства, содержащие минеральные материалы могут служить сырьём для производства строительных материалов. В современном строительстве резко возрастает потребность в высокопрочных, энергосберегающих строительных материалах, которые обладают развитой сырьевой базой и изготавливаются с использованием малозатратных технологий.

Разработана новая технология переработки мелкодисперсных отходов углеобогащения на обогатительных фабриках в аглопорит, применяемый как пористый заполнитель в конструкционных легких бетонах и в дорожном строительстве. В сравнении с широко используемым керамзитом, аглопорит по данной технологии имеет значительные преимущества:  при равной плотности выше прочность, ниже себестоимость, возможность производства из промышленных отходов.

Начало интенсивного развития производства пористых заполнителей (к которым относится и аглопорит) приходится на 60-е гг. прошлого века и наибольший выпуск был достигнут в 1989г. Но экономический кризис 1990-х г.г, выросшие требования к энерго -экологической безопасности обусловили резкое снижение спроса на пористые заполнители и явились основными причинами уменьшения их выпуска, закрытия многих предприятий. В настоящее время в России пористых заполнителей выпускают чуть более 20% от объема 1989г[2].

Отметим факторы и условия, которые могут определять развитие производства пористых заполнителей. Их можно разделить на объективные, которые не зависят от организаторов строительства, и субъективные, зависимые от участников строительного производства и топливно-энергетического комплекса.

Объективные факторы:

• 1.    Мощная сырьевая база, включая крупнотоннажные отходы промышленности, в первую очередь топливосодержащие. Многочисленные работы показали, что замена природного глинистого сырья на топливосодержащие отходы (углеотходы, золошлаковые материалы ТЭС) может снизить расход топлива на изготовление заполнителей несколько раз.

• 2.    Пористые заполнители, как и все керамические материалы, обладают высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред и относятся к долговечным материалам. Мировая практика имеет многочисленные примеры применения легких бетонов на пористых заполнителях в строительстве уникальных сооружений, в том числе гидротехнических. Некоторые из них построены около 2 тыс. лет назад. Это, например, гидротехнические сооружения в Анконе (Италия), построенные в начале нашей эры и которые эксплуатируются и в настоящее время [2].

• 3. Технология получения пористых заполнителей проста, отличается высокой механизацией, ее легко автоматизировать.

• 4.    Основная часть территории России представляет собой равнину, 85% площади которой покрыто осадочными образованиями и 25% горными породами, из которых производится крупный заполнитель щебень. Перевозка щебня в наших условиях составляет 300-500 км, что определяет высокую, постоянно растущую их стоимость.

• 5.    Пористые заполнители экологически чистые материалы.

Субъективные факторы:

• 1.    Пористые заполнители имеют широкую сферу применения в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.

• 2.    Для получения качественного бетона важным условием является надежное обеспечение постоянства зернового состава заполнителей. Обследование 86 предприятий ЖБК показало, что в дозаторы от замеса к замесу поступают крайне неоднородные по зерновому составу заполнители. Так, в гранитном щебне 5-20 мм содержание фракций мельче 5 мм (каменной крошки и пыли) колеблется от 0.5 до 37%, что почти в 3 раза превышает пределы, установленные ГОСТ 8267-93, колебания в

• 3.    В строительной индустрии России наблюдается нехватка щебня и песка. В 2006 году было поставлено около 170 млн. м3 различных заполнителей, а нужно было в 2-а раза больше. Недостающий щебень в Европейской части России приходится завозить с Украины и Белоруссии. Доля затрат на транспортировку составляет почти 70% от суммы затрат на горные работы [4]. Компенсировать нехватку сырья для производства заполнителей нужно использованием промышленных отходов, в том числе производством пористых заполнителей. В развитых странах их доля составляет 60% от общего объема заполнителей.

соотношении фракций 5-10 и 10-20 мм превышает пределы ГОСТ в 4 раза. А анализ состояния технологии производства природных заполнителей в карьерах показывает, что гарантированное сохранение постоянства зернового состава заполнителей нереально и неосуществимо в обозримом будущем [3]. В производстве пористых заполнителей таких проблем нет.

Разработанная технология позволяет производить аглопорит разных форм и размеров. На рис. 1 представлены образцы формованного, обожженного аглопорита в виде кубиков, колец и цилиндров.

Рис. 1. Образцы формованного, обожженного аглопорита в виде кубиков, колец и цилиндров.

В табл.1 приведены геометрические характеристики керамзита шарообразной формы, аглопорита в виде цилиндров и кубиков.

Характеристики форм заполнителей.

Вид формы	Разме р	Формула определе ния поверхно сти	Размер поверхнос ти, см2	Коэффици ент поверхнос ти	Прочность на сжатие	Примеча ние
Шар	Диаме тр – 1см	S =л d2	3.14	примем коэффици ент S шара за     1	Минимальн ая. Сила разрушения прилагается в точке	Форма керамзит а
Цилин др	Диаме тр   – 1см, высот а    – 1см	S   =л dh +лd2/2	4.71	1.5	Средняя. Сила разрушения прилагается по линии	Форма аглопори та
Куб	Ребро – 1см	S = 6a2	6.0	1.9	Максималь ная. Сила разрушения прилагается по поверхност и	Форма аглопори та

Самая привлекательная форма заполнителя та, у которой более высокая поверхность и прочность. Данные характеристики обеспечивают повышенную прочность бетона. Следовательно, наиболее оптимальной формой заполнителя является куб. Применяя аглопорит в виде колец можно снижать плотность и теплопроводность бетона.

В табл. 2 приведены технические характеристики аглопорита.

Технические характеристики (Испытания проведены по ГОСТ 975886 Методы испытаний)

№, п/п	Наименование показателя	Единица измерения	Требования по ГОСТ 9757-90	Фактически полученные результаты
1	Внешний вид	-	Гранулы	Гранулы: цилиндры, кубики
2	Фракционный состав	мм	5 - 20	5    -    10 10  –   15 15 - 20
3	Насыпная плотность	кг/м3	250-900	770
4	Марка       по насыпной плотности	-	250-900	800
5	Прочность  при сжатии (в зависимости от плотности)	МПа	Не  менее 1.0	Более 10
6	Марка       по прочности (в зависимости от плотности)	-	Не  менее П150	нет аналога

Как известно, основой строительства является сборный железобетон и в последние годы он претерпевает качественные изменения в направлении уменьшения массы, теплопроводности. Это реализуется путем внедрения легких бетонов на пористых искусственных заполнителях. Модифицированные конструкционные легкие бетоны изготавливают, так же как и тяжелые бетоны аналогичных конструкций, но при этом экономия массы составляет 20-50%. Также снижается теплоотдача зданий, повышается их уровень теплозащиты, паропроницаемости, что ведет к повышению комфортности проживания. В табл. 3 приведены основные преимущества конструкционных легких бетонов в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами[5].

Основные преимущества конструкционных легких бетонов классов по прочности на сжатие В15-В50 в сравнении с равнопрочными тяжелыми бетонами.

Свойства	Преимущества	Эффект
Плотность	Меньше на 20-50%	Снижение массы конструкций, зданий, сооружений на 20-50% – сокращение расходов бетона, арматуры, уменьшение осадки здания
Уровень нижней и верхней границы области микротрещинообразования	Больше на 16-25%	Выше граница перехода линейной ползучести в нелинейную, отсюда больше эффективность преднапряжения арматуры в конструкциях. Выше на 20-30% предел выносливости бетона при действии многократно повторных нагрузок сжатия. Меньше на 16-23% виброползучесть. Выше предел длительной прочности бетона
Коэффициент динамического упрочнения Предельная деформативность       в режиме        ударного нагружения	Больше на 17-25%. Больше на 15-26%	Выше ударная вязкость - меньше относительное количество разрушающихся оголовков забиваемых свай. Выше долговечность свайных ростверков зданий
Морозостойкость Водонепроницаемость	Больше   на   2-5 марок Больше   на   1-3 марки	Увеличение долговечности конструкций и надежности зданий и сооружений в эксплуатации
Коэффициент теплопроводности	Меньше в 2.5-3.5 раза	Сокращение до 25% теплопотерь через наружные стены зданий в местах сопряжений с несущими конструкциями, снижение теплоотдачи здания.
Стойкость  к  огневому воздействию	Больше на 0.3-0.5 ч	Увеличение предела огнестойкости конструкций по несущей способности, повышение пожаробезопасности здания

Также легкие бетоны дают значительную технико-экономическую эффективность и в дорожном строительстве.

Аглопорит может применяться в различных слоях дорожной конструкции:

• -    в составе асфальтобетонной смеси для верхнего слоя дорожной одежды;

• -    в качестве минеральной составляющей в битумоминеральной смеси;

• -    в составе цементобетона;

• -    в составе слоя основания (укрепленного малыми дозами цемента, металлургическими шлаками).

Особенно целесообразно применять аглопорит в асфальтобетонах в районах с резким континентальным климатом, что обусловлено их высокой теплоизолирующей способностью и низкой трещиностойкостью, а также в районах, где нет природных заполнителей[6].

Из аглопорита были приготовлены легкие бетоны. В табл. 4 приведены технические характеристики легкого бетона.

Таблица 4.

Технические характеристики легкого бетона из аглопорита

№, п/п	Наименование показателя	Единица измерения	Требования по ГОСТ 258202000	Фактически полученные результаты
1	Плотность	кг/м3	не выше 2000	1680
2	Марка    по плотности	-	не выше Д2000	Д1700
3	Прочность на сжатие	МПа	не ниже 15	62
4	Марка    по прочности	-	не ниже М150	М600
5	Класс бетона	-	не ниже В 15	В45
6	Назначение	-	конструкционный	конструкционный

Согласно современным требованиям [7, 8] , легкие бетоны могут быть отнесены к высокопрочным в том случае, если выполняется условие уравнения

Рсж / ρб ≥ 25, где Рсж – прочность бетона при сжатии в МПа, ρб – плотность бетона в сухом состоянии в кг/дм3.

В нашем случае, Рсж / ρб = 62/1.7 = 36.5

Для сравнения характеристик по теплопроводности между аглопоритобетоном и керамзитобетоном приведены данные их коэффициентов теплопроводности при различных плотностях.

Сравнение значений коэффициентов теплопроводности аглопоритобетона и керамзитобетона при различных плотностях.

Плотность, кг/м3	1600	1800	Примечание
Аглопоритобетон, л, Вт/м К	0.62	0.74	Замеренные данные
Керамзитобетон,   л, Вт/м К	0.6	0.7	Табличные данные. ТКП 45-2.0443-2006 (02250) «Строительная теплотехника»
Превышение значений л, %	3.3	2.8	Превышение теплопроводности аглопоритобетона над керамзитобетоном незначительное.

Таким образом, из выше изложенного видно, что полученный из отходов углеобогащения аглопорит и легкие бетоны на его основе имеет высокие технические характеристики, востребованы на рынке строительных материалов. Так как аглопорит изготавливается из углесодержащих отходов, то его себестоимость значительно ниже, чем у керамзита. Угля, содержащего в сырье, достаточно для процессов сушки, обжига аглопорита и имеется возможность часть тепла передавать на технологические нужды обогатительной фабрики.