СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОСИЛИКАТНОГО НЕОСТЕКЛОВАННОГО ПЕСКА Российский патент 1997 года по МПК C04B14/10 C04B18/04 

Изобретение относится к способам получения неостеклованных алюмосиликатных легких песков и может найти применение в промышленности строительных материалов в качестве добавки (взамен керамзитового или аглопоритового песка) в составе формовочных мас при изготовлении конструкционно-теплоизоляционных бетонов, а так же в качестве отощающей добавки в производстве пористой грубой керамики (кирпича, дренажных труб и др.).

Широко известен традиционный способ получения керамического щебня и песка на его основе путем перемешивания глинистой связки с измельченными отходами угледобычи или углеобогощения, древесными опилками и углем, формования из смеси кирпича-сырца, сушка или без нее, обжига при температуре 980-1050^oC, измельчения брака кирпича и рассева на фракции для получения алюмосиликатных щебня и песка, возврата более крупной чем щебень фракции на повторное измельчение, а мелкой фракции (менее 5 мм) в состав исходной обжиговой смеси, причем при следующем соотношении всех компонентов, мас.

Суглинок 75-80
Отходы угледобычи 15-17
Шамот (бой кирпича) 5-8
Опилки древесные 5-7 сверх 100%
Полученный брак кирпича после измельчения можно применять не только в качестве отощающей добавки шамотного песка в состав кирпича, но и в качестве замены дробленного аглопаритового или керамзитового песков в составе конструкционно-теплоизоляционых бетонов на легких заполнителях (см. Пром-сть строит.материалов. Сер. 4. Промышленность керамических стеновых материалов и пористых заполнителей. Экспресс-информация. Отеч. опыт, 1989, вып. 3, статья "Эффективность использования отходов углеобогащения в производстве керамического кирпича на Ворошилоградском комбинате строительных материалов", с. 9). Подтверждение о том, что дробленный песок (шамот), полученный из брака кирпича, в том числе и указанного способа аналога, можно применять в качестве щебня и песка в составе бетонов приведен в источнике (Ицкович С.М. и др. Технология заполнителей бетона: Учеб. для строит. вузов /С.М. Ицкевич, Л.Д. Чумаков, Ю. М. Баженов. М. Высш. шк. 1991, с. 230). Полученный известным способом алюмосиликатный неостеклованный заполнитель, в том числе и неостеклованный песок, наряду с достоинством (утилизируются отходы углеобогощения, угледобычи и многие другие, указанные в составе смеси отходы, более экономичный способ в сравнении с получением остеклованных песков типа керамзитового или аглопаритового) имеются и недостатки:
1. Энергоемкий процесс изготовления, связанный с необходимостью не только грубого и среднего измельчения сырья до обжига, но и необходимостью формования кирпича-сырца;
2. Высокая насыпная плотность песка (1000-1100 кг/м³), что ограничивает его применение в составе конструкционно-теплоизоляционных бетонов, например керамзитобетона с плотностью не более 1100 кг/м³ и грубой керамики с плотностью не выше 1850 кг/м³;
3. Не увеличивается коэффициент конструктивного качества бетонов и керамических изделий, в состав которых вводится песок, полученный известным способом.

Наиболее близкий по техническому решению способ к предлагаемому, приведены в авт.св. N 1158532, кл. C 04 B 14/10, опубл. 30.05.85, Б.И. N 20, заключающийся в совместной промежуточной термообработки при температуре 700-1000^oC негорелых отходов угледобычи или углеобогощения с жидкими горючесодержащими отходами производств, с последующим охлаждением продукта обжига, измельчения, причем соотношения по массе отходов угледобычи и горючесодержащего отхода производства капролактам ПАЩ-1 (пластификатора адипинового щелочного) берут соответственно 90-92 и 8-10 мас. с последующим смешиванием измельченного обоженного порошка с легкоплавкой глиной, формования гранул и окончательного обжига при температуре 1230-1250^oC. Наряду с достоинством способа имеются и существенные недостатки:
1. Теплоэнергоемкий процесс получения заполнителя и дробленного песка на его основе, связанный с двустадийным обжигом, т.е. промежуточным при температуре 700-1000^oC и окончательным при температуре 1230-1250^oC.

2. Высокая насыпная плотность алюмосиликатного песка после первичной стадии обжига (более 950 кг/м³), что ограничивает его применение в составе конструкционно-теплоизоляционного бетона с плотностью не выше 1100 кг/м³ и керамического кирпича с плотностью не выше 1850 кг/м³.

3. Песок, полученный после первичной термообработки при температуре 700-1000^oC, не увеличивает коэффициент конструктивного качества конструкционно-теплоизоляционных бетонов и изделий пористой керамики (кирпича и др.).

Задача изобретения уменьшить насыпную плотность песка, увеличить коэффициент конструктивного качества конструкционно-теплоизоляционного бетона и грубой керамики с плотностью не выше 1800 кг/м³, в состав которых вводится этот песок, уменьшить энергоемкость технологического процесса. Кроме того, решение экологических задач, связанных с утилизацией отходов производств.

Для достижения поставленной цели в известном способе получения алюмосиликатного неостеклованного легкого песка, заключающемся в перемешивании отходов угледобычи или углеобогощения с глиносодержащей связкой и горючесодержащими отходами, термообработки смеси, ее измельчения и рассева по фракциям, предварительно осуществляют перемешивание отходов угледобычи или углеобогащения с глиносодержащей связкой типа скопа до получения шлама, его подсушку и последующее смешивание с горючесодержащими нетоксичными отходами, в качестве которых используют целлюлозосодержащие отходы производства и некондиционный мелкодисперсный бурый уголь, после чего осуществляют обжиг при температуре 750-950^oC полученной смеси при следующем соотношении компонентов, мас.

Отходы угледобычи или углеобогощения 46-50
Глиносодержащая связка типа скопа 20-26
Целлюлозосодержащие отходы 12-18
Никондиционный мелкодисперсный бурый уголь 12-17
Вода сверх 100% сухой смеси 20-30%
В качестве скопа используют отходы химической очистки сточных вод картонного производства.

В качестве целлюлозосодержащих отходов используют отходы древесно-растительного типа, в том числе бумагосодержащий городской мусор.

Для проведения опыта предлагаемого способа приняты компоненты с нижеуказанными характеристиками.

Характеристика компонентов термообрабатываемой смеси
1. Отходы угледобычи и углеобогощения.

Приняты негорелые попутные отходы угледобычи Подмосковного бассейна и углеобогощения Кимовского угольного разреза Тульской области. В табл. 1 приведен химический состав отходов угледобычи и углеобогощения. Насыпная плотность отходов, просеянных через сито с диаметром ячеек 10 мм, 1000-1200 кг/м³, влажность 15-17 мас.

2. Глиносодержащая связка: скоп отход химической очистки сточных вод картонного производства (Алексинской фабрики, Тульская область). Влажность - 70-80% Вещественный состав сухого скопа, мас.

Целлюлозное волокно 50-55
Каолни 46,7-47,9
Органические примеси (канифоль, органические кислоты) Остальное.

Химический состав золы сгорания сухого скопа, мас. SiO₂ 26-30; Al₂O₃ 17-20; CaO 0,15-0,18; MgO 0,1-0,12; Na₂O+K₂O 0,5-0,8; Fe₂O₃ 0,1-0,3; TiO₂ - 0,05-0,1; п. п. п. остальное. Насыпная плотность 820-850 кг/м³. Цвет золы светло-розовый.

3. Целлюлозосодержащие отходы древесно-растительного типа: древесные опилки, щепа, ветки, камыши, тростник, дробленка, стебли кукурузы, подсолнечника, очес от гречки, солома и другие в том числе и бумагосодержащий городской мусор. В составе городского мусора, кроме бумаги, допускается присутствие стекла 5-10% текстиль, полимерные отходы и др. до 25% После сгорания указанных отходов и прокаливания при температуре 750-950^oC, остается мелко дисперсная зола, содержащая повышенное количество щелочесодержащего компонента поташа (K₂CO₃). Выход золы 5-10% Насыпная плотность золы зависит от сгораемого состава и составляет 500-800 кг/м³.

4. Некондиционный бурый уголь Подмосковного бассейна. Принят бракованный уголь с размером частиц менее 10 мм. Зольность угля 40% Горючая составляющая 60% Химический состав золы отвечает требования ГОСТ 25818-83.

Пример. Взвесили просеянные через сито с диаметром отверстий 10 мм 5,4 кг негорелых отходов угледобычи с влажностью 20% (или 4,5 кг по сухой массе, т. е. 45%) и перемешали эти отходы с жидким (влажность 80%) скопом, взятым в количестве 10 кг (или 2 кг по сухой массе, т.е. 20%). Полученный шлам с влажностью 57,8% в количестве 15,4 кг подсушили до влажности 20% и массы 9,579 кг, а затем перемешали с рубленными отходами растительного типа (стеблями кукурузы, подсолнечника, соломой, очесом от гречки, листьями, рубленным тростником и др.), взятыми в равных количествах и с общей массой 2,7 кг и влажностью 15% (или 1,8 кг по сухой массе, т.е. 18%), также перемешали дополнительно с некондиционным мелкодисперсным бурым углем влажностью 20% в количестве 2,4 кг (или 1,7 кг по сухой массе, т.е. 17%). Полученную смесь в количестве 14,319 кг с общей влажностью 21,7% термообрабатывали 30 мин в муфельной лабораторной печи при температуре 850^oC. Полученный продукт (рыхлый по структуре) в количестве 7,56 кг (выход обожженного продукта составил 52,8% и общие потери при обжиге 47,2 масс.) измельчили и просеяли через набор стандартных сит для песка. Полученный алюмосиликатный песок имел модуль крупности 261, насыпную плотность 575 кг/м³ (марка по плотности 600). С применением легкого алюмосиликатного песка, полученного предлагаемым способом, приготовили керамзитобетонную смесь следующего состава, мас.

Портландцемент М400 19,8
Алюмосиликатный песок с модулем крупности 2,1 33
Керамзитовый гравий с насыпной плотностью 500 кг/м³ 47,2
Вода сверх 100% смеси 30.

Из полученной бетонной смеси формовали на виброплощадке образцы керамзитобетона размером 15х15х15 см, которые твердели в нормальных условиях (t= 20±2^oC и относительной влажности 95%) 28 суток. Затем образцы испытали на прочность при сжатии, среднюю плотность, определили коэффициент конструктивного качества. Результаты испытаний образцов керамзитобетона приведены в табл. 2 (смесь 2).

Аналогичным способом, приведенным в примере, приготавливали алюмосиликатный песок и образцы керамзитобетона с его применением, причем углесодержащие отходы смешивали со скопом и различными видами целлюлозосодержащих отходов, приведенных в табл. 2 (смеси 3, 4, 5, 6 в том числе и запредельные 1 и 7).

Пылевидный песок, полученный при отсеве фракции менее 0,14 мм, не рекомендуется повторно вводить в состав обжигаемой смеси по двум причинам:
1. В составе пылевидного отсева от песка фракции (менее 0,14 мм) содержится 80-90% древесной золы и 10-20% каменноугольной золы, т.е. состав резко отличается от поризованного состава алюмосиликатного песка с размером 0,14-5 мм, в котором наоборот превалируют алюмосиликатный состав, содержащий древесной золы не более 15-20%
2. В случае повторного обжига пылевидного песка в составе обжигаемой смеси приведенного состава, пылевидный песок (вследствие легкости и микроразмеров частиц) будет улетать вместе с дымовыми газами в циклоны, и после многократных возвратов и обжигов, заявляемый способ и состав смеси для обжига нарушится и цель технического решения не будет достигнута.

Состав, выход и соответствующие свойства алюмосиликатного песка и керамзитобетона, полученного известным способом-прототипом (8) и предлагаемым (2, 3, 4, 5, 6), примеры с составами 1 и 7 запредельные, приведены в табл. 2.

Анализ результатов испытаний алюмосиликатного песка, вводимого в состав керамзитобетона, показывает:
1. Предлагаемый способ достигает цель для составов 2, 3, 4, 5, 6, а составы 1 и 7 являются запредельными и экономически не целесообразными, т.к. наблюдается тенденция увеличения средней плотности при меньшей доли утилизации (менее 45%) отходов угледобычи (состав 1) и снижения коэффициента конструктивного качества (состав 7), к тому же снижается доля целлюлозосодержащих, а следовательно, и щелочесодержащих отходов (менее 12%).

2. Снижается общая насыпная плотность песка, полученного предлагаемым способом, на 300-325 кг/м³ (на 33,3-36,1%) в сравнении с песком, полученным после первичной термообработки по способу прототипа.

3. Коэффициент конструктивного качества (R_сж/p_н) керамзитобетона с песком предлагаемого способа увеличивается на 30-40%
При сопоставлении свойств кирпича (см. табл. 3), полученного с алюмосиликатным песком (взамен шамота способа аналога и прототипа), выявлено:
1. Уменьшение средней плотности на 130-240 кг/м³ (6,5-12,1%).

2. Увеличение коэффициента конструктивного качества на 10,6-11,29%
Положительное влияние алюмосиликатного песка взамен шамота или дробленного песка, полученных соответственно по способу аналога или прототипа объясняется двумя факторами:
низкой насыпной плотностью алюмосиликатного песка (менее 600 кг/м³);
содержанием в песке древесной золы, а следовательно, и плавня (K₂CO₃ поташа), т.е. песок выполняет роль не только отощающей добавки, но и плавня.

Техническое решение достижения цели объясняется следующими физико-химическими факторами:
1. Поризацией частиц горных (пустых) пород за счет выгорания органической составляющей в их составе, а также дегидратацией глинистых частиц, содержащихся в качестве основы в отходах угледобычи и углеобогащения, а также в твердой составляющей скопа.

2. Смешиванием поризованных алюмосиликатных частиц песка с более легкими частицами золы, пепла, образующихся от сгорания каменного угля и целлюлозосодержащих отходов производств.

За счет процессов, приведенных в п.п. 1, 2, снижается средняя плотность зерен песка размером от 0,14-5 мм и соответственно их насыпная плотность.

3. Увеличивается степень гидратации минералов клинкера цемента (алита, белита), что способствует увеличению прочности и соответственно коэффициента конструктивного качества керамзитобетона. Сущность химизма действия состоит в следующем.

В составе полученного песка содержится и зола от сгорания целлюлозосодержащих отходов и скопа. Такая зола, как известно, обогащена ионами калия, поташом. Поташ это растворимая в воде соль, которая при гидролизе образует щелочную среду
K₂CO₃ + 2H₂O 2KOH + H₂CO₃ (1)
Полученный 2KOH диссоциирует в воде затворения керамзитобетона по схеме:
2KOH _→ 2K⁺+ 2OH^- (2)
Образующиеся гидроксилионы (2OH^-) более активны как общеизвестно, чем молекулы воды, и поэтому быстрее вступают в реакцию гидротации с минералами клинкера, чем молекулы воды, и благодаря большей подвижности более эффективнее проникают в глубину массы клинкерных частиц цемента. Этот процесс способствует повышению прочности и соответственно коэффициенту конструктивного качества керамзитобетона. Оставшуюся в реакции (1) угольная кислота также способствует повышению прочности бетона, т.к. образующиеся молекулы Ca(OH)₂ при гидратации минерала алита (C₂S) вступает в реакцию с H₂CO₃, образуя более прочный и трудно растворимый в воде компонент CaCO₃, который тампонирует поры бетона.

Таким образом, одновременное положительное действие песка, полученного предлагаемым способом, на снижение средней плотности керамзитобетона и кирпича керамического и увеличение прочности керамзитобетона приводит к увеличению коэффициента их конструктивного качества.

Предлагаемый способ получения легкого алюмосиликатного песка для керамзитобетона и керамики имеет следующие технико-экономические преимущества в сравнении с песком, получаемым известным способом:
1. Снижается расход топлива на термообработку на 35-37% за счет утилизации (сжигания) скопа и целлюлозосодержащих отходов производств. Роль последних могут также выполнять и полусгнившие деревянные стойки, которые вместе с отходами угледобычи выбрасываются в отвалы терриконов из лав шахт.

2. Уменьшается расход песка (в объемных долях) на 1 м³ керамзитобетона за счет снижения его средней плотности.

3. Осуществляется комплексная утилизация 3 видов отходов производств, что расширяет ресурсы сырья производства керамзитобетона и грубой керамики; решаются вопросы экологии.

4. Снижается себестоимость полученного мелкого заполнителя на 25-30%

Использование: для получения неостеклованных алюмосиликатных легких песков и может найти применение в промышленности строительных материалов в качестве добавки (взамен керамзитового или аглопоритового песка) в составе формовочных масс при изготовлении конструкционо-теплоизоляционных бетонов, а также в качестве отощающей добавки в производстве пористой грубой керамики (кирпича, дренажных труб и др.). Сущность изобретения, алюмосиликатный неостеклованный легкий песок получают путем перемешивания отходов угледобычи или углеобогащения с глиносодержащей связкой типа скопа до получения шлама, его подсушку и последующее смешивание с горючесодержащими нетоксичными отходами, в качестве которых используют целлюлозосодержащие отходы производства и некондиционный бурый уголь, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углесодержащие отходы угледобычи или углеобогащения 45-50; глиносодержащая связка типа скопа 20-26; целлюлозосодержащие отходы 12-18; некондиционный мелкодисперсный бурый уголь 12-17; вода сверх 100% 20-30, после чего осуществляют обжиг при температуре 750-950^oC, ее измельчение и рассев по фракциям. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Способ получения алюмосиликатного неостеклованного песка путем перемешивания отходов угледобычи или углеобогащения с горючесодержащими отходами с последующим обжигом, измельчением и рассевом по фракциям, отличающийся тем, что перед перемешиванием отходов угледобычи или углеобогащения с горючесодержащими отходами осуществляют перемешивание отходов угледобычи или углеобогащения с глиносодержащей связкой типа скопа до получения шлама, его подсушку и последующее смешивание с горючесодержащими отходами, в качестве которых используют нетоксичные отходы из группы целлюлозосодержащих отходов и некондиционный мелкодисперсный бурый уголь, причем полученная смесь имеет следующее соотношение компонентов, мас.

Углесодержащие отходы угледобычи или углеобогащения 45 50
Глиносодержащая связка типа скопа 20 26
Целлюлозосодержащие отходы 12 18
Некондиционный мелкодисперсный бурый уголь 12 17
Вода сверх 100% 20 30
а обжиг смеси ведут при температуре 750 950^oС.