СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУСТОТЕЛОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК C04B38/06 C04B20/10 

Изобретение относится к области производства строительных материалов и, в частности, к производству пустотелого заполнителя для бетона, тепло- и звукоизоляционного материала за счет выгорания органической части ядра и образования крупных, изолированных друг от друга, воздушных капсул.

Известен способ получения пустотелого керамического заполнителя, включающий формование ядра из выгорающего материала типа древесного минерального порошка и последующий обжиг гранул [1].

Известен наиболее близкий по совокупности признаков способ получения пустотелого заполнителя для бетона, включающий формование выгорающего ядра из избыточного ила биологических очистных сооружений с влажностью 35-40% с последующим нанесением на ядро минеральной оболочки из кирпичной глины и обжига [2].

Принятый для формования ядер-подложек избыточный ил биологических очистных сооружений с влажностью 35-40% не может обеспечить получение крупнопустотелого пустотелого заполнителя. Из технологии очистки сточных вод и обработки осадков известно, что избыточный ил из вторичных отстойников имеет влажность 99.2-99.5%, а после его уплотнения в течение 10-15 часов влажность уплотненного избыточного ила снижается до 97.3-98% [3]. Для достижения влажности ила 35-40% требуется специальная его обработка, т.е. обезвоживание на иловых площадках или на установках механического обезвоживания (например, центрифуги, вакуум-фильтры, пресс-фильтры и др.) до влажности 75-80%. Только после предварительного обезвоживания ила до влажности 75-80% можно приступить к дальнейшему снижению его влажности до 40% за счет тепловой обработки в сушилках барабанного (вращающегося) типа. Тепловая (термическая) сушка обезвоженного избыточного ила ведется температурой рабочих газов 700-800^oС. При таких высоких температурах рабочих газов большая часть органического вещества ила выгорает, а зольность возрастает до 60-70%. Поэтому подсушенный избыточный ил до влажности 35-40% не может обеспечить получения пустотелого заполнителя для бетона с высоким объемом пустот и низкой плотностью. Кроме того, транспортирование избыточного ила на завод-изготовитель потребует больших капитальных затрат на устройство трубопроводов, насосных станций, илоуплотнителей, иловых площадок или цеха механического обезвоживания с реагентным хозяйством. Строительство перечисленных объектов приведет к большим затратам и высокой стоимости пустотелого заполнителя, что вызовет увеличение стоимости бетона и объектов из него выполненных. Поэтому получение пустотелого заполнителя целесообразно осуществлять на существующих территориях станций биологической очистки сточных вод с учетом сложившейся технологии, чтобы не вызывать заметного удорожания готового продукта.

Из-за сложности эксплуатации и высокой стоимости сооружений по стабилизации осадков сточных вод до настоящего времени более 70% станций биологической очистки сточных вод не подвергают обработке осадки первичных отстойников и избыточного ила. Эти нестабилизированные осадки направляют на обезвоживание в естественных условиях на иловых площадках, загрязняя окружающую воздушную среду газами брожения (сероводородом и метаном). Дренирующая в грунт вода содержит органические загрязнения, которые проникают в подземные воды, загрязняют их, а поэтому приводят их в непригодное состояние для питьевых целей. Следовательно, известный способ получения пустотелого заполнителя бетона является дорогостоящим, а сам пустотелый заполнитель для бетона имеет сравнительно высокую плотность и низкий объем пустот, так как предварительная термическая сушка избыточного ила до приготовления гранул для пустотелого материала позволяет сохранить не более 40% органической массы и ее выгорание при обжиге гранул не позволит получить заполнительный материал для бетона с высоким объемом пустот и низкой плотностью.

Задачей изобретения является снижение плотности ядра, насыпной плотности пустотелого заполнителя, повышения объема его пустот, прочности, коэффициентов теплоизоляции и звукопоглащаемости, упрощения и удешевления технологического процесса, а также утилизации несброженных осадков и защита окружающей среды и водоисточников питьевого водоснабжения.

Для достижения этого технического результата в способе получения пустотелого заполнителя, включающем формование выгорающего ядра из избыточного ила биологических очистных сооружений, нанесение на него минеральной оболочки и обжиг, отличительными от прототипа признаками является то, что перед формованием выгорающего ядра уплотненный избыточный ил биологических очистных сооружений влажностью 97-98% смешивают с кирпичной глиной влажностью 20-25%, осадком из песколовок влажностью 20-30% и сырым осадком из первичных отстойников влажностью 93-95%, а в качестве минеральной оболочки используют измельченный кварцевый песок с удельной поверхностью 700-800 см.кв./г, после чего производят сушку сформованных гранул при нагреве до температуры 150-200^oС, нагрев до 700-1000^oС, при этом обжиг производят при температуре 1100-1150^oС с дальнейшим нагревом до 1500^oС и выдерживании при этой температуре 7-8 минут, а смесь для формования выгорающего ядра содержит компоненты при следующем соотношении, мас. в процентах (%):
Уплотненный избыточный ил биологических очистных сооружений - 25-30
Кирпичная глина - 50-60
Осадок из песколовок - 0.5-1.0
Сырой осадок из первичных отстойников - 14-19.5
В качестве исходного сырья для получения ядер-подложек использовалась смесь, состоящая по объему из: 50-60% кирпичной глины Латненского месторождения влажностью 20-25%; 0.5-1.0% осадка из песколовок влажностью 20-30%; 15-20% сырого осадка из первичных отстойников влажностью 93-95% и 25-30% уплотненного избыточного ила влажностью 97-98%, получаемые в процессе очистки городских сточных вод Правобережной станции аэрации г. Воронежа. Образующееся количество осадков: осадка из песколовок; сырого осадка из первичных отстойников и уплотненного избыточного ила составляет около 1.2-1.5% от количества очищаемых сточных вод, т.е. 4000-5000 м³/сут или около 1.5 млн. м³ в год.

Осадка из песколовок включает в себя до 70% кремния крупностью от 0.2 до 3 мм, а 30% органической части крупностью от 5 мм до 10 мм состоит из: углерода - 75-78%; азота - 6-8%; кислорода - 12-9.5%; водорода - 5-3.5% и прочих соединений - 2-1%. Сырой осадок из первичных отстойников крупностью от 0.2 мм до 0.05 мм состоит из 93-95% воды, а твердая часть осадка имеет зольность 24-30%. Состав минеральной части сырого осадка из первичных отстойников на 80% представляет собой кварц (мелкий песок), а 20% - глина, окалина и др. минеральные вещества. Органическая часть сырого осадка состоит из: углерода 77-85%; азота - 1.5-2%; кислорода - 12-15%; водорода - 2.8-3.4%; окислов металлов - 1.3-1.6% и прочих органических соединений - 1-1.5%.

Уплотненный избыточный ил влажностью 97-98% включает в себя до 97-98% влаги (воды) и 2-3% твердого вещества, состоит из 25-30% минерализованной и 70-75% органической биомассы с химическим составом С₁₂Н₂₆О₆N. Собственная зольность клеточного вещества активного ила весьма мала, поэтому количество бактерий ила колеблется от 10⁸ до 10¹³ единиц в 1 мг сухого беззольного вещества или в 1 мг ила от 10 тыс. до 100 тыс.

Формование гранул только из смеси: осадка песколовок, сырого осадка первичных отстойников и уплотненного избыточного ила, не представляется возможным, так как смесь перечисленных осадков имеет влажность 96-96.5%. Для составления необходимой смеси влажностью 50-60% к перечисленным осадкам биологических очистных сооружений добавляется кирпичная глина Латненского месторождения Воронежской области с влажностью 20-30% в количестве 100-110% по отношению к объему смеси осадков сточных вод.

Приготовленные составы смесей имели следующие показатели: влажность - 50-60%; зольность - 67-68%: плотность - 1.25-1.3 т/м³. Приготовленные смеси в лаборатории Правобережной станции аэрации г. Воронежа формовались в виде цилиндриков диаметром и высотой 15-20 мм, а затем с помощью лабораторного гранулятора тарельчатого типа окатывались в течение 1.5-2 минут при одновременном нанесении защитной оболочки из измельченного речного песка (район г. Семилук) р. Дон с удельной поверхностью 700-800 см²/г. Сушка и обжиг отформованных гранул с минеральной кварцевой оболочкой осуществлялся в два этапа.

I этап - сушка ядер-подложек проводилась в лабораторной муфельной печи с температурой нагрева до 1000^oС. При нaгpeве ядер подложек до температуры 150-200^oС происходит испарение содержащейся в них влаги, а при температуре нагрева гранул до 700-1000^oС происходит полное выгорание органических веществ. В результате испарения влаги и выгорания органических веществ образуются воздушные капсулы разных размеров, например мелкие от испарения влаги и выгорания ила, а крупные от выгорания органической части осадка из песколовок и сырого осадка первичных отстойников.

II этап - обжиг гранул выполнялся в производственных печах завода огнеупорного кирпича г. Семилуки Воронежской области при температуре 1450-1500^oС. При температуре 1100-1150^oС происходит спекание глины, а при дальнейшем нагреве до 1500^oС и выдерживании требуемого температурного режима в течение 7-8 минут происходит плавление кварца, содержащегося внутри гранул и наружной оболочки, который растекается по внутренней поверхности капсул пустотелых гранул и по наружной поверхности самих гранул, создается водозащитный слой и одновременно жесткий и прочный каркас. Обожженные гранулы пустотелой загрузки имеют водонепроницаемую оболочку толщиной 0.6-0.8 мм.

Состав и свойства гранул пустотелых заполнителей из осадков сточных вод Правобережной станции аэрации и кирпичной глины Латненского месторождения Воронежской области приведены и таблице.

Из таблицы можно сделать выводы:
- наиболее оптимальными являются смеси 2, 3 и 4.

В смеси 2 средняя плотность возрастает, увеличивается влагопоглащаемость, а предел прочности снижается хотя коэффициент теплопроводности и звукопоглащаемости близки к оптимальным значениям.

В смеси 4 средняя плотность и влагопоглащаемость снижаются, а предел прочности возрастает до максимума, но коэффициент звукопоглащаемости несколько снижается хотя коэффициент теплопроводности приближается к оптимальному значению. Для достижения свойств пустотелых материалов, близких к оптимальным значениям одновременно по всем пяти показателям качества, целесообразно принимать состав смеси, близкий к показателям состава 3.

Полученный пустотелый заполнитель по сравнению с прототипом имеет меньший удельный вес гранул: 450-420 кг/м³ (у прототипа 656-440 кг/м³); насыпную плотность 430-405 кг/м³; прочность гранул - 0.7-1.0 МПа (7-10 кГ/см²) и 0.65-0.78 МПа у прототипа; прочность бетона с пористым заполнителем 1.5-2.0 МПа (15-20 кГ/см²); влагопоглащаемость менее 1% и у прототипа - 3.9-5.6%; коэффициент теплопроводности около 0.3 Вт/(м•град) и прототипа в 1.5 раза хуже - 0.46 Вт/(м•град); коэффициент звукопоглащаемости α, 10^-4 см^-1 при 20^oС для предлагаемой смеси составляет 0.48, а у прототипа всего 0.37. Из сравнительного анализа видно, что предлагаемая смесь из осадков сточных вод и кирпичной глины для получения пустотелого заполнителя по всем показателям превосходит показатели качества прототипа и других известных материалов и для составления необходимой смеси не требуется предварительной подготовки (обработки) ни одного из перечисленных компонентов, что упрощает и удешевляет технологический процесс утилизации осадков и получения пустотелого заполнителя, исключая вероятность загрязнения воздушной среды и источников водоснабжения.

Высокий объем пустот и низкая плотность гранул пустотелого заполнителя достигается испарением большого содержания влаги в смеси (до 50-60%). Испарение влаги приводит к образованию мелких пустот до 25-30% от общего их количества в гранулах. Несколько большие по размеру образуются пустоты при выгорании органического вещества активного ила до нескольких тысяч при сгорании 1 мг сухого беззольного вещества ила. Более крупные пустоты образуются при выгорании органических веществ сырого осадка крупностью от 0.05 мм до 0.15 мм и самые крупные пустоты образуются при выгорании органических веществ, содержащихся в осадке из песколовок от 0.1 мм до 1.5-2.0 мм.

Снижение средней плотности пустотелого заполнителя для бетона позволяет уменьшать массу строительных конструкций из этого бетона и снижать трудоемкость производства работ.

Повышение прочности гранул достигается за счет добавления в смесь кварцевого песка, который содержится до 70% в осадке из песколовок и до 80% в осадке из первичных отстойников от минеральной части осадка, что составляет от 2 до 2.5% веса всего сухого вещества сырого осадка первичных отстойников. Плавление кварца при температуре 1450-1500^oС создает условия для растекания его расплавленной массы по капиллярным пустотам и по внутренним поверхностям полых капсул, внутри которых имеется избыточное давление, образующееся при выгорании органических веществ и образовании газов в объемах, превышающих объемы выгораемого вещества. При остывании кварца происходит усадка материала гранул, что ведет к созданию внутреннего напряжения пустотелого заполнителя. Наличие в пустотелом заполнителе жесткого каркаса из застывшего кварца обеспечивает гранулам не только более высокую прочность, но и значительно меньшую поглощаемость влаги, так как кварц не гигроскопичен и не пропускает влагу.

Следовательно, применение осадков, образующихся при биологической очистке сточных вод, для получения пустотелого заполнителя для бетона позволит получить материал с меньшей плотностью, более высокой прочностью, меньшей влагопоглощаемостью и теплопроводностью, но с большей звукопоглощаемостью, а также позволит уменьшить затраты на утилизацию этих осадков, защиту окружающей среды и обеспечить предприятия строительных материалов необходимым дешевым сырьем.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 296731, кл. С 04 В 21/06, 1971 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 1528758, кл. С 04 В 21/06, 1989 г.

3. Канализация. Учебник для вузов. 5-е издание, Стройиздат, М., 1975 г., С.В. Яковлев и др., стр. 402 и стр. 404, табл. 4.60.

4. Контроль качества воды. Стройиздат, М., 1977. Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова (глава VII, параграф 34, стр. 83-86).

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и, в частности, к производству пустотелого заполнителя для бетона, получаемого за счет выгорающего ядра. Технический результат: снижение плотности ядра и насыпной плотности пустотелого заполнителя, повышение его пористости и прочности, повышение тепло- и звукоизоляции, а также утилизация осадков. Способ получения пустотелого заполнителя включает формование выгорающего ядра, нанесение на него минеральной оболочки с последующим обжигом полученных гранул. Перед формованием выгорающего ядра уплотненный избыточный ил биологических очистных сооружений влажностью 97-98% смешивают с кирпичной глиной влажностью 20-25%, осадком из песколовок влажностью 93-95%. В качестве минеральной оболочки используют измельченный кварцевый песок с удельной поверхностью 700-800 см²/г, после чего производят сушку сформованных гранул при нагреве до 150-200^oС и последующем нагреве их до 700-1000^oС. Обжиг производят при температуре 1100-1500^oС с дальнейшим нагревом до 1500^o и выдерживанием при этой температуре 7-8 мин. Соотношение компонентов в смеси для формования выгорающего ядра, мас.%: указанный ил 25-30, кирпичная глина 50-60, осадок из песколовок 0,5-1,0, сырой осадок из первичных отстойников 14-19,5. 1 табл.

Способ получения пустотелого заполнителя, включающий формование выгорающего ядра из избыточного ила биологических очистных сооружений, нанесение на него минеральной оболочки и обжиг, отличающийся тем, что перед формованием выгорающего ядра уплотненный избыточный ил биологических очистных сооружений влажностью 97-98% смешивают с кирпичной глиной влажностью 20-25%, осадком из песколовок влажностью 20-30% и сырым осадком из первичных отстойников влажностью 93-95%, а в качестве минеральной оболочки используют измельченный кварцевый песок с удельной поверхностью 700-800 см²/г, после чего производят сушку сформованных гранул при нагреве до температуры 150-200^oС, нагрев до 700-1000^oС, при этом обжиг производят при температуре 1100-1150^oС с дальнейшим нагревом до 1500^oС и выдерживании при этой температуре 7-8 мин, а смесь для формования выгорающего ядра содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %:
Уплотненный избыточный ил биологических очистных сооружений - 25-30
Кирпичная глина - 50-60
Осадок из песколовок - 0,5-1,0
Сырой осадок из первичных отстойников - 14-19,5