СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ЩЕБНЯ
METHOD OF CERAMIC BALLAST PRODUCTION

Предлагаемое изобретение относится к производству щебня, используемого при строительстве дорог, мостов, аэродромов, прокладке железнодорожных путей, при производстве бетона, при кладке фундамента зданий, для укрепления слабых грунтов.
Известно большое количество изобретений (а.с. СССР №1286556, а.с. СССР №1691342, патенты RU 2005106 С1, RU 2197444 C2, RU 2200717 C2, RU 2355660 C1, RU 2355661 C1) и публикаций, посвященных созданию способов изготовления щебня.
Наиболее распространенным способом является добыча горных пород (габбро-диабаза, гранита, известняка и т.д.), их дробление и грохочение. В результате дробления образуются частицы различной формы и размера. Одним из критериев, определяющим качество щебня, является его лещадность, показывающая количество присутствующих нежелательных частиц пластинчатой и игловатой формы. Согласно ГОСТу щебень подразделяют на 4 группы, лещадность которых изменяется в пределах от 15 до 50%. Чем ближе частицы щебня к кубической форме, тем качественней щебень, однако при дроблении сложно регулировать форму частиц. Другим важным параметром, определяющим качество щебня, являются его прочностные характеристики (в частности, прочность на сжатие). Для повышения прочностных характеристик щебня многие предприятия используют твердые горные породы, при этом растет износ рабочих элементов дробилок и грохотов и повышается выход отсевов. Кроме того, многие горные породы, в частности гранит, радиоактивны.
В связи с этим появились патенты, в которых предлагается способ изготовления керамического щебня, а также изготовления щебня из шлаковых расплавов.
Согласно а.с. СССР №1286566 способ изготовления искусственного керамического заполнителя включает приготовление технологической массы из глинистого сырья, ее продавливание через матрицу с отверстиями звездчатого сечения, формование жгутов прессованием при давлении 2,0-2,2 МПа и последующий обжиг. Основными недостатками этого способа являются низкие плотность и прочность получаемого продукта.
Известен способ получения керамического заполнителя для использования в дорожном строительстве (а.с. СССР №1691342 А1), согласно которому в качестве основных сырьевых компонентов используются легкоплавкая глина и мел. Способ включает сушку сырьевой массы до остаточной влажности 6-7%, измельчение, прессование, термообработку по режиму: подъем температуры до 1120-1140°C с постоянной скоростью 4-6°C/мин, выдержку при этой температуре 1-1,5 ч, охлаждение с постоянной скоростью 5-6°C/мин и последующее дробление обожженного материала. Полученный щебень имеет марку по прочности 1200, т.е. прочность на сжатие не превышает 120 МПа.
В патенте RU 2355660 С1 предложен способ изготовления керамического искусственного щебня из глинистого материала для дорожного строительства, включающий подготовку и обработку глинистого сырья до оптимальной влажности и однородной структуры, формирование сырца продавливанием глинистой массы через формообразующую решетку с его поперечной резкой, сушку, обжиг полуфабриката, дробление и рассев на фракции, отличающийся тем, что формирование сырца производят в виде блока примыкающих друг к другу пустотелых брусьев с продольными, равномерно распределенными по их поверхности пазами, поперечную резку сырца ведут при последующей раздвижке пустотелых брусьев в блоках, а сушку и обжиг полуфабриката осуществляют после однорядной укладки раздвинутых пустотелых брусьев.
Основными недостатками представленных аналогов являются применение глины в качестве основного сырьевого компонента, что не обеспечивает высоких прочностных характеристик щебня, наличие в технологической схеме стадии дробления обожженного полуфабриката, приводящего к снижению прочности получаемого щебня, повышению лещадности и необходимости фракционирования щебня из-за различия в его размерах.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ изготовления керамических изделий строительного назначения (патент RU 2374206 С1), включающий приготовление сырьевой смеси, формование изделий и обжиг, отличающийся тем, что предварительно проводят совместное измельчение сырьевой смеси до дисперсности 20-50 мкм, прессование осуществляют при давлении 35-150 МПа, обжиг проводят по следующему режиму: подъем температуры до 500°C со скоростью 150-200°C/час, далее до 1050-1150°C со скоростью 65-150°C/час, выдержка при 1150°C - 1-2 часа, охлаждение со скоростью 100-150°C/час.
Основной задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления высококачественного керамического щебня с применением в качестве основных сырьевых компонентов природного кварцевого песка и техногенных отходов (доменных и сталеплавильных шлаков, зол и шлаков ТЭС); щебень должен быть монофракционным, с повышенными прочностными свойствами, с нулевой лещадностью, т.е. с полным отсутствием в его составе частиц вытянутой и неправильной форм, с отсутствием разброса в свойствах от партии к партии, типичного для щебня, получаемого по технологии дробления природных горных пород. Щебень полифракционного состава будет изготавливаться путем смешения полученных монофракций, которые выбираются с целью удовлетворения всех требований заказчика к этому щебню.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый способ изготовления керамического щебня включает подготовку сырья, его измельчение, уплотнение, сушку и термическую обработку и отличается тем, что для повышения прочностных характеристик щебня и достижения нулевой лещадности сырьевую смесь получают из природного песка и добавок металлургического шлака или шлака и зол ТЭС, проводят совместный помол всей сырьевой смеси, прессуют полуфабрикат в виде плиты толщиной 5-150 мм при давлении 35-150 МПа, сушат, подвергают резке на образцы кубической формы с длиной ребра, равной толщине плиты, и проводят обжиг при температуре 1100-1180°C.
2
В качестве сырья используется смесь природного песка с содержанием SiO не менее 93% и техногенных отходов - доменных и сталеплавильных шлаков, зол и шлаков ТЭС стекловидной природы.
Выбор металлургических шлаков, шлаков и зол ТЭС обусловлен тем, что в процессе спекания при получении керамического щебня стекловидные шлаки и золы обеспечивают жидкофазный механизм спекания, благодаря которому возможно получение плотного высокопрочного изделия с остаточной пористостью менее 1%.
Применение совместного помола всей сырьевой смеси обеспечивает ее однородное перемешивание и способствует снижению температуры обжига.
Интервал давлений прессования 35-150 МПа обеспечивает необходимую прочность полуфабриката, при прессовании полуфабриката в виде плиты с последующей ее резкой на кубики требуется более высокое давление, но не выше 150 МПа, так при более высоких давлениях отмечается явление перепрессовки.
Выбранный интервал температур обжига обеспечивает участие жидкой фазы в процессах спекания, что придает конечному материалу высокие керамические и прочностные свойства.
сжатия
При применении доменного шлака и зол ТЭС температура обжига не должна быть выше 1180°C, так как при более высоких температурах (1200°C и выше) наблюдается вспенивание и оплавление образцов. При температурах ниже 1100°C не происходит полного спекания и σ не превышает 80 МПа.
Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.
2
Для приготовления сырьевой смеси используют природный песок и доменный шлак металлургического комбината. Дозируют компоненты в соотношении 60/40 и проводят их совместный помол в планетарной мельнице корундовыми шарами до удельной поверхности 1,5 м/г с преобладанием частиц размером 20 мкм. Полученную смесь увлажняют водой до влажности не более 3% и методом полусухого прессования при давлении 100 МПа формуют плиту толщиной 25 мм. Сушку проводят при температуре 70°C, далее плиту металлической струной режут на образцы кубической формы с ребром 25 мм, которые далее подвергают обжигу при конечной температуре 1150°C и последующему охлаждению. Получаемый щебень имеет кубическую форму, нулевую лещадность, прочность на сжатие 280 МПа. Щебень имеет монофракционный состав, и все частицы однородны по структуре и физико-химическим свойствам.
Другие примеры осуществления изобретения раскрыты в таблице 1.
Таблица 1
Условия получения и свойства получаемого керамического щебня
№
Сырьевые компоненты
Давление прессования, МПа
Температура обжига, °C
Свойства керамического щебня
Прочность на сжатие, МПа
Прочность при изгибе, МПа
Пористость, %
Лещадность %
1
Кварцевый песок, доменный шлак в соотношении 60/40
150
1180
300
100
0,1
0
2
Кварцевый песок, зола ТЭС в соотношении 60/40
35
1100
160
80
0,5
0
3
Кварцевый песок, доменный шлак в соотношении 60/40
100
1150
250
90
0,3
0
4
Кварцевый песок, доменный шлак в соотношении 60/40
100
1200
Образцы вспенились
Достижение заявляемого технического результата подтверждается результатами сравнительных испытаний щебня, полученного по технологии дробления прочных горных пород из гранита, и щебня, состоящего из частиц кубической формы с размером ребра 15 мм, изготовленного в соответствии с требованиями предлагаемого способа.
Испытания проводились представителями Технического Эксперта ЗАО «Институт Стройпроект» в соответствии с требованиями ГОСТ 8267-93 по ГОСТ 8269.0-97, на приборах, проверенных и аттестованных в надлежащем порядке.
Значение показателей, полученных при испытаниях, представлены в табл.2.
Таблица 2
Результаты испытаний щебня, полученного по предлагаемому способу, в сравнении со щебнем, полученным путем дробления гранитных пород
Наименование показателей
Фактическое значение показателей
Требования ГОСТ 8267-93
Щебня, полученного по предлагаемому способу и состоящего из частиц кубической формы
Щебня, полученного по технологии дробления из гранита
Потеря массы, %
Марка
потеря массы, %
марка
потеря массы, %
марка
Прочность по дробимости, при сжатии в цилиндре, потеря массы, %
1,1
2400
9
1400
до 9 включительно
1400
Содержание частиц пластинчатой (лещадной) и игловатой форм, %
отсутствуют
10
до 10 включительно
Испытания показали, что представленный образец щебня, состоящий только из частиц кубической формы, имеет более высокую марку прочности, чем приведенная в ГОСТ 8267-93. Потеря массы этих образцов щебня составляет 1,1%, что означает девятикратное уменьшение потерь массы по сравнению с потерями массы щебня, полученного по технологии дробления гранита, при марке прочности этого щебня 1400.
Таким образом, заявляемый способ обладает следующими преимуществами:
- обеспечивает получение щебня кубической формы, нулевой лещадности, однородного по структуре и свойствам;
- обеспечивает получение щебня с применением недефицитного природного песка местных месторождений и техногенных отходов;
- открывает возможность синтеза щебня при более низких температурах обжига с повышенными прочностными характеристиками (прочность на сжатие не ниже 230 МПа, лучшие образцы - 300 МПа), что превышает в 3-5 раз прочность существующего щебня;
- получаемый щебень не радиоактивен в отличие от щебня, получаемого путем дробления горных пород, в частности гранита;
- заявляемый способ получения позволяет Заказчику готовить высококачественные полифракционные смеси щебня исходя из требуемых применений;
- открывает возможность создания производства керамического щебня в регионах, бедных сырьевыми материалами, в частности регионах крайнего Севера России, что исключают дорогостоящие транспортные перевозки.