Керамзит

1.Введение:
Керамзит представляет собой легкий пористый материал ячеистогостроения в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавкихглинистых пород, способных всучиваться при быстром нагревании их до температуры1050 – 1300 С в течение 25–45 мин. Качество керамзитового гравияхарактеризуется размером его зерен, объемным весом и прочностью. В зависимостиот размера зерен керамзитовый гравий делят на следующие фракции: 5 – 10, 10 –20 и 20 – 40 мм, зерна менее 5 мм относят к керамзитовому песку. В зависимостиот объемного насыпного веса (в кг/м3) гравий делят на марки от 150 до 800.Водопоглощение керамзитового гравия 8–20 %, морозостойкость должна быть неменее 25 циклов.
Керамзит применяют в качестве пористого заполнителя для легкихбетонов, а также в качестве теплоизоляционного материала в виде засыпок.
 Керамзитовыйгравий — частицы округлой формы соплавленной поверхностью и порами внутри. Керамзит получают главным образом ввиде керамзито­вого гравия. Зерна его имеют округлую форму. Структура пористая,ячеистая. На поверхности его часто имеется бо­лее плотная корочка. Цветкерамзитового гравия обычно темно-бурый, в изломе — почти черный. Его получаютвспучиванием при обжиге легкоплавких глин во вращающих печах. Такой гравий сразмерами зерен 5 – 40 мм морозоустойчив, огнестоек, не впитывает воду и несодержит вредных для цемента примесей. Керамзитовый гравий используют вкачестве заполнителя при изготовлении легкобетонных конструкций.
 Керамзитовыйщебень — заполнитель для легких бетонов произвольной формы, преимущественноугловатой с размерами зерен от 5 до 40 мм, получаемый путем дробления крупныхкусков вспученной массы керамзита.
Некоторыеглины при обжиге вспучиваются. Например, при производстве глиняного кирпичаодин из видов бра­ка— пережог — иногда сопровождается вспучиванием. Это явлениеиспользовано для получения из глин пористого ма­териала — керамзита.
Вспучиваниеглины при обжиге связано с двумя про­цессами: газовыделением и переходом глиныв пиропластическое состояние.
Источникамигазовыделения являются реакции восста­новления окислов железа при ихвзаимодействии с органи­ческими примесями, окисления этих примесей, дегидрата­циигидрослюд и других водосодержащих глинистых минералов, диссоциации карбонатов ит. д. В пиропластическое состояние глины переходят, когда при высокойтемпературе в них образуется жидкая фаза (расплав), в результате чего глинаразмягчается, приобретает способность к пластической деформации, в то же времястановится газонепроницаемой и вспучивается выделяющимися газами.
Дляизготовления керамзитобетонных изделий нужен не только керамзитовый гравий, нои мелкий пористый заполнитель.Керамзитовый песок — заполнительдля легких бетонов и растворов с размером частиц от 0,14 до 5 мм получают приобжиге глинистой мелочи во вращающих и шахтных печах или же дроблением болеекрупных кусков керамзита.
Производствокерамзитового песка по обычной техно­логии во вращающейся печи неэффективно.Некоторая примесь песчаной фракции получается при производстве керамзитовогогравия за счет разрушения части гранул в процессе термообработки, однако онсравнительно тяжелый, так как мелкие частицы глинистого сырья практически невспучиваются (резервы газообразования исчерпываются раньше, чем глина переходитв пиропластическое состоя­ние). Кроме того, в зоне высоких температур мелкиегра­нулы разогреваются сильнее крупных, при этом, возможно, их оплавление иналипание на зерна гравия.
Намногих предприятиях керамзитовый песок получают дроблением керамзитовогогравия, преимущественно в вал­ковых дробилках. Себестоимость дробленогокерамзитового песка высока не только в связи с дополнительными затра­тами надробление, но главным образом потому, что выход песка всегда меньше объемадробимого гравия. Коэффи­циент выхода песка составляет 0,4—0,7, т. е. в среднемиз 1 м3 гравия получают только около 0,5 м3 дробленого керамзитого песка. Приэтом почти вдвое возрастает его на­сыпная плотность.
Внастоящее время при получении керамзитового песка лучшей считают технологию егообжига в кипящем слое.
Ввертикальную печь загружается глиняная крошка крупностью до 3 или 5 мм,получаемая дроблением под­сушенной глины или специально приготовленных по пла­стическомуспособу и затем высушенных гранул. Через ре­шетчатый (пористый) под печи снизупод давлением по­дают воздух и газообразное топливо (или же горячие газы извыносной топки). При определенной скорости подачи газов слой глиняной крошкиразрыхляется, приходит в псевдоожиженное состояние, а при ее увеличении как быкипит. Газообразное топливо сгорает непосредственно в кипящем слое. Благодаряинтенсификации теплообмена в кипящем слое происходит быстрый и равномерныйнагрев материала. Частицы глины обжигаются и вспучиваются примерно за 1,5 мин.Перед подачей в печь обжига глиня­ная крошка подогревается в кипящем слоереактора тер­моподготовки примерно до 300 °С, а готовый песок после обжигаохлаждается в кипящем слое холодильного устрой­ства. Насыпная плотностьполучаемого керамзитового пе­ска— 500—700 кг/м3. К зерновому составукерамзитового песка предъявляются требования, аналогичные требова­ниям кприродному песку, но крупных фракций в нем дол­жно быть больше.
Проблемуполучения керамзитового песка, достаточно эффективного по свойствам исебестоимости, нельзя счи­тать полностью решенной. Часто при получении керамзитобетонав качестве мелкого заполнителя применяют вспу­ченный перлит, а также природныйпесок.
Сырье.
Сырьемдля производства керамзита служат глинистые породы, относящиеся в основном косадочным горным. Некоторые   камнеподобные   глинистые породы — глинистыесланцы, аргиллиты — относятся к метаморфическим.
Глинистыепороды отличаются сложностью минералогического состава и, кроме глинистыхминералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.) содержат кварц, по­левыешпаты, карбонаты, железистые, органические при­неси.
Глинистыеминералы слагают глинистое вещество — наиболее дисперсную часть глинистых пород(частицы мельче 0,005 мм). Собственно глинами называют глинистые породы,содержащие более 30% глинистого вещества.
Дляпроизводства керамзита наиболее пригодны монт-мориллонитовые и гидрослюдистыеглины, содержащие не более 30% кварца. Общее содержание SiO2 должно быть неболее 70%, А12О3 — не менее 12% (желательно около 120%), Fe2O3 + FeO — до 10%,органических примесей -1-2%.
Пригодностьтого или иного глинистого сырья для производства керамзита устанавливаютспециальным исследованием его свойств. Важнейшее из требований к сырью-вспучивание при обжиге.
Вспучиваемостьхарактеризуется коэффициентом вспу­чивания
/>
гдеVК — объем вспученной гранулы керамзита;
     Vc — объем сухой сырцовой гранулы до обжига.
Второетребование к сырью (в значительной степени связанное с первым) —легкоплавкость. Температура об­жига должна быть не выше 1250°С, и при этомпереход значительной части наиболее мелких глинистых частиц в расплав долженобеспечить достаточное размягчение и вязкость массы. Иначе образующиеся приобжиге глины газы, не удерживаемые массой, свободно выйдут, не вспу­чивматериал.
Третьеиз важнейших требований — необходимый ин­тервал вспучивания. Так называютразницу между пре­дельно возможной температурой обжига и температурой началавспучивания данного сырья. За температуру начала вспучивания принимают тутемпературу, при которой уже получается керамзит с плотностью гранулы 0,95г/см3. Предельно возможной температурой обжига считается тем­пература началаоплавления поверхности гранул.
Длярасширения температурного интервала вспучива­ния используют такой прием, какопудривание сырцовых глиняных гранул порошком огнеупорной глины, что позво­ляетповысить температуру обжига и при этом избежать оплавления гранул.

Применение.
Наиболееширокое применение керамзитобетон находит в качестве стенового материала. Вряде районов страны стеновые панели из керамзитобетона стали основой массо­вогоиндустриального строительства. Особенно эффектив­но применение для стеновыхпанелей хорошо вспученного легкого керамзитового гравия марок 300, 400, до 500(по насыпной плотности).
Плотностьконструкционно-теплоизоляционного керам­зитобетона для однослойных стеновыхпанелей, как прави­ло, составляет 900—1100 кг/м3, предел прочности при сжа­тии— 5—7,5 МПа. Такой бетон в конструкции выполняет одновременно несущую итеплоизоляционную функции. В двух- или трехслойных стеновых панелях требуемуюне­сущую способность может обеспечить слой (или два слоя) конструкционногокерамзитобетона, а теплозащитную — слой крупнопористого теплоизоляционногокерамзитобето­на плотностью 500—600 кг/м3.
Исследования,проведенные в Белорусском политехни­ческом институте (С.М.Ицкович, Г.Т.Широкийи др.), Алма-Атинском НИИстромпроекте (М.3.Вайнштейн, В.П.Грицай и др.),Уралниистромпроекте (Г.В.Геммер-линг, А.Н.Чернов и др.),  показали, что переходот одно­слойной конструкции панелей к двух- или трехслойной с разделениемнесущей и теплозащитной функций стен и возложением их на соответствующие слоиконструкционно­го и теплоизоляционного керамзитобетона повышает каче­ство инадежность панелей, снижает их материалоемкость.
Теплоизоляционныйкрупнопористый керамзитобетон — самый легкий бетон, который можно получить наданном заполнителе. Его плотность при минимальном расходе це­мента лишь немногобольше насыпной плотности керамзи­тового гравия.
Накерамзите марок 700, 800 получают конструкцион­ные легкие бетоны с пределомпрочности при сжатии 20, 30, 40 МПа, используемые для производства панелей пере­крытийи покрытий, в мостостроении, где особенно важно снизить массу конструкций.

2.Номенклатура
ВГОСТ 9759—76 предусматриваются следующие фрак­ции керамзитового гравия покрупности зерен: 5—10, 10— 20 и 20—40 мм. В каждой фракции допускается до 5% бо­леемелких и до 5% более крупных зерен по сравнению с номинальными размерами. Из-заневысокой эффективности грохочения материала в барабанных грохотах труднодобиться разделения керамзита на фракции в пре­делах установленных допусков.
Понасыпной плотности керамзитовый гравий подраз­деляется на 10 марок: от250 до 800, причем к марке 250 относится керамзитовый гравий с насыпнойплотностью до 250 кг/м3, к марке 300 — до 300 кг/м3 и т.д. Насыпную плотность определяют по фракциям в мерных сосудах. Чем крупнеефракция керамзитового гравия, тем, как правило, меньше насыпная плотность,поскольку крупные фракции содержат наиболее вспученные гранулы.
Длякаждой марки по насыпной плотности стандарт устанавливает требования кпрочности керамзитового гра­вия при сдавливании в цилиндре и соответствующие иммарки по прочности (табл.). Маркировка по прочности позволяет сразу наметитьобласть рационального применения того или иного керам­зита в бетонахсоответствующих марок. Более точные дан­ные получают при испытании заполнителяв бетоне
Требования к прочности керамзитового гравияМарка по насыпной плотности Высшая категория качества Первая категория качества Марка по прочности Предел прочности при сдавливании в цилинд­ре, МПа, не менее Марка по прочности Предел прочности при сдавливании в цилиндре, МПа, не менее 250  П35 0,8 П25 0,6 300  П50 1 П35 0,8 350 П75 1,5 П50 1  400  П75 1,8 П50 1,2 450  П100 2,1 П75 1,5 500  П125 2,5 П75 1,8 550  П150 3,3 П100 2,1 600 П150 3,5 П125 2,5  700 П200 4,5 П150 3,3 800 П250 5,5 П200 4,5
Прочностьпористого заполни­теля — важныйпоказатель его качества. Стандартизована лишь одна методика опреде­ленияпрочности пористых заполнителей вне бетона — сдавливанием зерен в цилиндрестальным пуансоном на заданную глубину. Фиксируемая при этом величинанапряжения принимается за условную прочность заполни­теля. Эта методика имеетпринципиальные не­достатки, главный из которых — зависимость показателяпрочности от формы зерен и пустотности смеси. Это настолько искажает дей­ствительнуюпрочность заполнителя, что ли­шает возможности сравнивать между собой различныепористые заполнители и даже за­полнители одного вида, но разных заводов.Методика определения прочности керамзи­тового гравия основана на испытании од­нооснымсжатием на прессе отдельных гранул керамзита. Предварительно гранулу стачива­ютс двух сторон для получения параллельных опорных плоскостей. При этом онаприобрета­ет вид бочонка высотой 0,6—0,7 диаметра. Чем больше количествоиспытанных гранул, тем точнее характеристика средней прочности. Чтобы получитьболее или менее надежную характеристику средней прочности керамзита, достаточнодесятка гранул.
Испытаниекерамзитового гра­вия в цилиндре дает лишь условную относительную харак­теристикуего прочности, причем сильно заниженную. Установлено, что дей­ствительнаяпрочность керамзита, определенная при испы­тании в бетоне, в 4-5 раз превышаетстандартную харак­теристику. К такому же выводу на основе опытных данных пришлиВ. Г. Довжик, В. А. Дорф, М. 3. Вайнштейн и дру­гие исследователи.
Стандартнаяметодика предусматривает свободную засыпку керамзитового гравия в цилиндр и за­темсдавливание его с уменьшением первоначального объе­ма на 20%. Под действиемнагрузки прежде всего проис­ходит уплотнение гравия за счет некоторого смещениязе­рен и их более компактной укладки. Основываясь на опыт­ных данных, можнополагать, что за счет более плотной укладки керамзитового гравия достигаетсяуменьшение объема свободной засыпки в среднем на 7%. Следователь­но, остальные13% уменьшения объема приходятся на смятие зерен (рис.1).Если первоначальнаявысота зер­на D, то после смятия она уменьшается на 13%.
    Рис. 1. Схема сдав­ливания зерен керам­зита при испытании                Рис.2.Схема укладки зерен керамзита
/>/>
Высококачественныйкерамзит, обладаю­щий высокой прочностью, как правило, харак­теризуетсяотносительно меньшими, замкну­тыми и равномерно распределенными порами. В немдостаточно стекла для связывания час­тичек в плотный и прочный материал, образу­ющийстенки пор. При распиливании гранул сохраняются кромки, хорошо видна корочка.Поверхность распила так как материал мал
Водопоглощениезаполнителя выражается в процентах отвеса сухого мате­риала. Этот показатель для некоторых видов пористыхзаполнителей нормируется (напри­мер, в ГОСТ 9759—71). Однако более нагляд­ноепредставление о структурных особенностях заполнителей дает показатель объемноговодопоглощения.
Поверхностныеоплавленные корочки на зернах керамзита в начальный период (даже при меньшейобъемной массе в зерне и большей пористости) имеют почти в два раза нижеобъемное водопоглощение, чем зерна щебня. Поэтому необходима технологиягравиеподобных заполнителей с поверхностной оплавленной корочкой из перлитовогосырья, шлаковых расплавов и других попутных про­дуктов промышленности (золыТЭС, отходы углеобогащения). Поверхностная корочка керамзита в первое времяспособна задержать проникновение во­ды вглубь зерна (это время соизмеримо современем от изготовления легкобетонной сме­си до ее укладки). Заполнители,лишенные корочки, поглоща­ют воду сразу, и в дальнейшем количество ее малоизменяется…
Междуводопоглощением и прочностью зе­рен в ряде случаев существуеттесная корре­ляционная связь. Чем больше водопоглощение, тем ниже прочностьпористых заполнителей. В этом проявляется дефектность структуры ма­териала.Например, для керамзитового гра­вия коэффициент корреля­ции составляет 0,46.Эта связь выявляется более отчетливо, чем связь прочности и объем­ной массыкерамзита (коэффициент корреля­ции 0,29).
Дляснижения водопоглощения предпринимаются попытки предварительной гидрофоби-зациипористых заполнителей. Пока они не привели к существенным положительным ре­зультатамиз-за невозможности получить не­расслаивающуюся бетонную смесь при одно­временномсохранении эффекта гидрофобизации.
Особенности     деформативных свойств предопределяются пористой структурой заполнителей.Это, прежде всего, отно­сится к модулю упругости, который существен­но ниже,чем у плотных заполнителей Собственные деформации (усадка, набуха­ние)искусственных пористых заполнителей, как правило, невелики. Они на один порядокниже деформаций цементного камня. При исследованиях деформаций керамзита всеобразцы при насыщении водой дают набу­хание, а при высушивании — усадку, новели­чина деформаций разная. После первого цик­ла половина образцов показываетостаточное расширение, после второго — три четверти, что свидетельствует обизменении структуры ке­рамзита. Средняя величина усадки после пер­вого цикла0,14 мм/м, после второго — 0,15 мм/м. Учитывая, что гравий в бетоне на­сыщаетсяи высушивается в меньшей степени, реальные деформации керамзита в бетоне со­ставляютлишь часть этих величин. Пористые заполнители оказывают сдержи­вающее влияниена деформации усадки (и ползучести) цементного камня в бетоне, в ре­зультатечего легкий бетон имеет меньшую деформативность, чем цементный камень.
Другиеважные свойства пористых заполни­телей, влияющие на качество легкого бетона—морозостойкость и стойкость против распада (силикатного и железистого), атакже содер­жание водорастворимых сернистых и серно­кислых соединений.Эти показатели регламен­тированы стандартами.
Искусственныепористые заполнители, как правило, морозостойки в пределах требованийстандартов. Недостаточная морозостой­кость некоторых видов заполнителейвне бетона не всегда свидетельствует о том, что легкий бетон на их основе такженеморозо­стоек, особенно если речь идет о требуемом количестве циклов 25—35.Заполнители лег­ких бетонов, предназначенных для тяжелых условий эксплуатации,не всегда удовлетворя­ют требованиям по морозостойкости и потому должнытщательно исследоваться.
Натеплопроводность пористых за­полнителей, как и других пористых тел, влия­ютколичество и качество (размеры) воздуш­ных пор, а также влажность.Заметное влия­ние оказывает фазовый состав материала. Аномалия в коэффициентетеплопроводности связана с наличием стекло­видной фазы. Чем больше стекла, темкоэффи­циент теплопроводности для заполнителя од­ной и той же плотности ниже. Сцелью стиму­лирования выпуска заполнителей с лучшими теплоизоляционнымисвойствами для бетонов ограждающих конструкций предлагают нор­мироватьсодержание шлакового стекла (на­пример, для высококачественной шлаковой пемзы60—80%) .
Искусственныепористые пески — это в ос­новном продукты дробления пористых куско­выхматериалов (шлаковая пемза, аглопорит) и гранул (керамзит). Специальноизготовлен­ные вспученные пески (перлитовый, керамзи­товый) пока не занимаютдоминирующего по­ложения.
Большоепреимущество дробленых песков — возможность их производства в комплексе спроизводством щебня. Однако это обстоятель­ство обусловливает и существенныенедостат­ки в качестве песка. Являясь попутным про­дуктом при дробленииматериала на щебень, песок в ряде случаев не соответствует требуе­момугранулометрическому составу для про­изводства легкого бетона. Очень часто песокизлишне крупный, не содержит в достаточном количестве наиболее ценной дляобеспечения связности и подвижности бетонной смеси фрак­ции размером менее 0,6мм
Насыпнаяобъемная масса пористых песков еще вменьшей степени, чем крупных заполни­телей, характеризует их истинную«легкость». Малая объемная масса песка часто достига­ется за счет не внутризерновой,а междузер­новой пористости вследствие специфики зернового состава(преобладание зерен одинакового размера). При введении в бетонную смесь та­койпесок не облегчает бетон, а лишь повы­шает его водопотребность.Очевидно, для улуч­шения качества пористого песка необходим специальныйтехнологический передел дробле­ния материала на песок заданной грануломет­рии,а не попутное получение песка при дроб­лении на щебень.
Производстводробленого керамзитового песка, особенно при преобладании в нем круп­ныхфракций, нельзя признать рациональным. Крупные фракции (размером 1,2—5 мм) дроб­леногопеска мало улучшают удобоукладываемость смеси, но вызывают повышение ееобъ­емной массы из-за наличия открытых пор и повышенной пустотности.Вспученный (в печах «кипящего слоя») керамзитовый песок про­изводится пока внебольшом количестве. По физико-техническим показателям он лучше дробленогопеска. Прежде всего меньше его водопоглощение.
Характеристикавспученных и дробленых песков по фракциям:
50%составляет фракция 1,2—5 мм. Поэтому в легком бетоне приходится снижать расходке­рамзитового гравия, что нерационально (заме­нять гравий песком).
Суменьшением объемной массы пористых заполнителей (насыпной и в зерне) их пори­стостьи водопоглощение увеличиваются. Однако водопоглощение, отнесенное к пористостизерен, уменьшается, что указывает на увеличе­ние «закрытой» пористости у болеелегких ма- териалов.

Свойствалегкого бетона.
 Удобоукладываемостьлегких бетонных смесей оценивают теми же методами, которые применяют для бетон­ныхсмесей на плотных заполнителях.
Подборколичества воды затворения по заданному показателю удобоукладываемостизатруднен тем, что последний зависит от характера применяемого пористогозаполнителя.
Основытеории легких бетонов, а также общий метод подбора оптимального количества водызатворения для легкобетонной смеси разработаны Н. А. Поповым. Этот методоснован на зависимости прочности и коэффициента выхода легкого бетона отрасхода воды
Криваязависимости прочности от расхода воды имеет две ветви. Левая (восходящая)показывает, что прочность бетона при повышении расхода воды постепенновозрастает. Это объясняется увели­чением удобоукладываемости бетонной смеси иплотности бетона. Правая (нисходящая) ветвь кривой свидетельствует о том, чтопосле достижения наибольшего уплотнения смеси (т. е. минимального коэффициентавыхода) увеличение расхода воды приводит к возра­станию объема пор,образованных не связанной цементом водой, и к понижению прочности бетона. Влегком бетоне отчетливо проявляется вредное влияние как недостатка, так иизбытка воды затворения.
Наиболееважной (наряду с прочностью) характеристикой лег­кого бетона является объемнаямасса. В зависимости от объемной массы и назначения легкие бетоныподразделяют на сле­дующие группы: теплоизоля­ционные с объемной массой 500кг/м3 и менее; конструк­ционно — теплоизоляционные (для ограждающих конструк­ций— стен, покрытий зда­ний) с объемной массой до 1400 кг/м3; конструкционные собъемной массой 1400— 1800 кг/м3. Объемная масса легкого бетона в значительнойстепе­ни определяется объемной массой пористого заполни­теля.
Установленыследующие проектные марки легкого бетона по прочности на сжатие: М25, 35, 50,75, 100, 150, 200, 250, 300, 350 и 400. Легкобетонные камни для стен обычноимеют марку 25 и 35, крупные стеновые панели и блоки изготовляют из легкогобетона марок М50, 75 и 100.
Конструкционныелегкие бетоны марок 150—400 получают при­меняя портландцемент марок 300—600.Крупным заполнителем слу­жит керамзитовый гравий, аглопоритовый щебень илишлаковая пемза, в качестве мелкого заполнителя часто применяют кварцевый песок.Объемная масса конструкционных легких бетонов с кварце­вым песком доходит до1700—1800 кг/м3, но все же она на 600— 700 кг/м3 меньше, чем у тяжелого бетона,поэтому коэффициент конструктивного качества, равный отношению прочности кобъем­ной массе, у легкого бетона выше примерно в 1,4 (при одинаковойпрочности). В силу этого конструкционный легкий бетон особенно выгодноприменять взамен тяжелого бетона в железобетонных конструкциях больших пролетов(фермы, пролетное строение мостов и т. п.), где особенно эффективно снижениесобственной массы кон­струкции. Уменьшение нагрузок от собственной массыпозволяет сократить расход арматурной стали на 15—30 %.
Деформативныесвойства легких и тяжелых бетонов сильно раз­личаются. Легкие бетоны напористых заполнителях более трещиностойки, так как их предельная растяжимостьвыше, чем равно­прочного тяжелого бетона. Однако следует учитывать и такие осо­бенностилегких бетонов, как большие усадка и ползучесть по срав­нению с тяжелымбетоном.
     Теплопроводность легкого бетоназависит в основном от объем­ной массы и влажности.
Увеличениевлажности бетона на 1 % повышает коэффициент теп­лопроводности на 0,01—0,03Вт/(м-К). В зависимости от объемной массы и теплопроводности толщина наружнойстены из легкого бетона может быть от 22 до 50 см.
Долговечностьбетона зависит от его морозостойкости. Для ограждающих конструкцийобычно применяют легкие бетоны, вы­держивающие 15—35 циклов попеременногозамораживания и оттаивания. Однако для стен влажных промышленных помещений, восо­бенности в районах с суровым климатом, требуются более морозо­стойкиелегкие бетоны. Требования по морозостойкости еще более повышаются, есликонструкционный легкий бетон предназначен для гидротехнических сооружений,мостовых и других конструкций. В этих случаях нужен легкий бетон с марками поморозостойкости МрзбО, 75, 100, 150, 200, 300, 400 и 500.
Возможностьполучения легких бетонов с высокой морозостой­костью и малой водопроницаемостьюзначительно расширяет обла­сти их применения. Бетоны на пористых заполнителяхуже успешно используют в мостостроении, в гидротехническом строительстве и дажев судостроении.
Вслабоагрессивных и среднеагрессивных средах легкобетонные конструкции можноприменять без специальной защиты при усло­вии, если показатель проницаемостилегкого бетона не отличается от соответствующей характеристики тяжелого бетона,эксплуатируе­мого в данной агрессивной среде. Применение же легких бетонов всильноагрессивной среде разрешается лишь после опытной про­верки.
Легкийбетон для несущих армированных конструкций должен быть плотным, т. е. иметьплотную структуру, при которой межзер­новые пустоты крупного заполнителябыли бы полностью заполнены цементным раствором. В плотном легком бетоне защитаарматуры от коррозии не нужна.
Водостойкостьплотных легких бетонов на цементе существенно не отличается от водостойкоститяжелых бетонов. Обычно умень­шение прочности легких бетонов от ихкратковременного насыщения водой не превышает 15 %. В воде легкие бетонынабухают больше, чем равнопрочные тяжелые бетоны.
Водонепроницаемость конструкционных легких бетонов высокая. По данным Г.И. Горчакова и К. М. Каца, керамзитобетон с расхо­дом цемента 300—350 кг/м3 непропускал воду даже при давлении 2 МПа. Малая водопроницаемость плотных легкихбетонов подтвер­ждается долголетней эксплуатацией гидротехнических сооружений вАрмении и Грузии, а также испытанием напорных труб. Харак­терно, что современем водонепроницаемость легких бетонов повы­шается.
Дальнейшееуменьшение объемной массы легких бетонов без ухуд­шения их основных свойстввозможно путем образования в цемент­ном камне мелких замкнутых пор. Дляпоризации цементного камня, являющегося самой тяжелой составной частью легкогобетона, используют небольшие количества пенообразующих или газообра­зующихвеществ. Мелкие и равномерно распределенные поры в це­ментном камне не понижаютпрочность, но уменьшают объемную массу и теплопроводность легкого бетона. Крометого, поризация  цементного камня в легком бетоне позволяет обойтись без пори­стогопеска.
Легкийбетон является эффективным универсальным материалом и его применение быстровозрастает.
Однородность.
Поданным С. Ф. Бугрима, В. Л. Пржецлавского, В. П. Петрова и других исследователей,изучавших качество ке­рамзита на многих предприятиях, керамзит везденеоднороден. Очевидно, это предопределено самой технологией получениякерамзитового гравия, когда каждая гранула вспучивается по-разному принеоднородности сырья и не­постоянстве температурных условий в печи. Врезультате керамзитовый гравий — это совокупность неодинаково вспученных гранулразличной плотности и прочности.
Применяятакой неоднородный заполнитель, невозможно получить однородный по качествубетон. Чтобы конструк­ции были достаточно надежны по прочности, надо учестьминимальную статистически вероятную прочность заполнителя, а при расчете массыи теплопроводности — принять возможную максимальную его плотность. Если заполни­тельнеоднороден, то расчетные характеристики бетона и эффективность его примененияв конструкциях тем самым занижаются.
Дляповышения однородности керамзита есть два пути. Первый состоит всовершенствовании технологии произ­водства, усреднении сырья, более тщательнойего перера­ботке и грануляции, стабилизации режимов термоподго­товки, обжига иохлаждения, улучшении фракционирова­ния. В институте НИИКерамзит проведеныисследования основных факторов, влияющих на однородность керамзи­тового гравияна всех этапах его производства, и разрабо­таны соответствующие рекомендации.
Второйпуть — разделение готовой продукции на фрак­ции не только по крупности, но и поплотности зерен.

Обогащение.
Применительнок керамзитовому гравию термин «обо­гащение» означает разделение его на классыпо плотности зерен. Более легкий будет богаче хорошо вспученными зернами, болеетяжелый — богаче менее вспученными, зато более прочными зернами.
А.А. Эльконюк и другие (НИИКерамзит) установили возможность сепарациикерамзитового гравия в кипящем слое без промежуточного утяжелителя. В этомслучае утя­желителем служит сам керамзитовый гравий. Он непре­рывно поступает вклассификационную камеру сепаратора, через решетчатое дно которой вентиляторомподается по­ток воздуха. При определенной скорости подачи воздуха создается режимпсевдоожижения, и керамзитовый гравий расслаивается: сравнительно тяжелые зернаопускаются вниз, а легкие сосредоточиваются в верхней части слоя, откуда иотбираются отдельно.
Еслисравнить два описанных   выше способа   сепара­ции — с промежуточным  утяжелителем  и без него,  то в первом случае эффективность   сепарации   абсолютная (в средеопределенной  плотности  легкое зерно  всплывет, а тяжелое потонет), а вовтором она зависит  от крупности, зернового состава, формы зерен и другихфакторов, не свя­занных непосредственно   с плотностью. Поэтому при раз­делениибез промежуточного утяжелителя в легком классе с некоторой вероятностью могутоказаться и тяжелые зер­на, в тяжелом классе — легкие.  Все же, по данным А. А.Эльконюка, коэффициенты вариации насыпной плотности сепарированного легкого итяжелого керамзита в два раза меньше коэффициента вариации исходного. При этомбез промежуточного   утяжелителя    упрощаются   технология сепарации иаппаратурное оформление процесса.
Считается,что керамзитовый гравий и другие пористые заполнители подлежат обогащениютолько в условиях су­хой сепарации, что их нельзя увлажнять, поскольку, на­пример,по ГОСТ 9759—76 влажность поставляемого ке­рамзитового гравия должна быть неболее 2%. Однако это ограничение касается поставляемого гравия, а при исполь­зованииего можно увлажнять, как того требует технология. В технологии легких бетоновнередко рекомендуется пред­варительно увлажнять пористые заполнители, чтобыумень­шить поглощение ими воды из бетонной смеси.
Всвязи с этим, по мнению автора, в ряде случаев целе­сообразно проводитьсепарацию керамзитового гравия в воде. Предложенный сепаратор представляетсобой ванну с водой, снабженную двумя скребковыми транспортерами, один изкоторых убирает со дна ванны тонущий керамзит, другой — всплывающий. Керамзит,подаваемый на сепара­цию, находится в воде не более 5 с. Вода — подходящаясреда для разделения керамзита по плотности зерен на два класса
Такимобразом, для повышения однородности керамзита есть два пути: первый состоит всовершенствовании техно­логии производства, усреднении сырья и т. д.; второй —в разделении готовой продукции по плотности зерен.
Первыйпуть малоперспективен, т.к. улучшение переработки сырья, оптимизация ре­жимовтермообработки и другие подобные мероприятия повысят качество керамзита, нооднородность его тем не менее останется невысокой: каждая гранула вспучиваетсяпо-своему, добиться идентичности гранул невозможно, и условия их вспучивания впечи не могут быть одинаковыми. При этом осуществление мероприятий по болеетщатель­ной переработке сырья, оптимизации режимов требует до­полнительныхзатрат и, возможно, уменьшит выход про­дукции.
Поэтомупредлагается другой путь: в производстве ке­рамзита на первом этапе исходить изодного критерия — давать больше продукции при минимальных затратах, а затем ужепутем сепарации готового керамзитового гравия по плотности зерен получатькондиционную продукцию разных классов по свойствам и назначению. Это реальныйпуть повышения качества керамзита, сочетающийся с уве­личением объема егопроизводства и снижением себестои­мости.
Схема
3.2.Описание технологического процесса.
Сущностьтехнологического процесса производства ке­рамзита состоит в обжиге глиняныхгранул по оптимально­му режиму. Для вспучивания глиняной гранулы нужно, чтобыактивное газовыделение совпало по времени с пере­ходом глины в пиропластическоесостояние. Между тем в обычных условиях газообразование при обжиге глин проис­ходитв основном при более низких температурах, чем их пиропластическое размягчение.Например, температура диссоциации карбоната магния — до 600°С, карбонатакальция — до 950 °С, дегидратация глинистых минералов происходит в основном притемпературе до 800 °С, а выго­рание органических примесей еще ранее, реакциивосстановления окислов железа развиваются при температуре по­рядка 900 °С,тогда как в пиропластическое состояние гли­ны переходят при температурах, какправило, выше 1100 °С.
/> Схема вращающейся печи для производства керамзита:
/—загрузка  сырцовых гранул;   2— вращающаяся   печь; 3— форсунка; 4— вспученныйкерамзитовый гравий; 5—поток го­рячих газов
Всвязи с этим при обжиге сырцовых гранул в произ­водстве керамзита необходимбыстрый подъем температу­ры, так как при медленном обжиге значительная частьгазов выходит из глины до ее размягчения и в результате получаются сравнительноплотные маловспученные грану­лы. Но чтобы быстро нагреть гранулу до температурывспучивания, ее сначала нужно подготовить, т. е. высушить и подогреть. В данномслучае интенсифицировать процесс нельзя, так как при слишком быстром нагреве врезуль­тате усадочных и температурных деформаций, а также быстрогопарообразования гранулы могут потрескаться или разрушиться (взорваться).
Оптимальнымсчитается ступенчатый режим термообра­ботки по С. П. Онацкому: с постепеннымнагревом сырцо­вых гранул до 200—600 °С (в зависимости от особенностей сырья) ипоследующим быстрым нагревом до температуры вспучивания (примерно 1200 °С).
Обжигосуществляется во вращающихся печах (рис.), представляющих собой цилиндрическиеметаллические барабаны диаметром до 2,5—5 м   и длиной до 40— 75 м,футерованные изнутри огнеупорным кирпичом. Печи устанавливаются с уклономпримерно 3% и медленно вращаются вокруг своей оси. Благодаря этому сырцовые гранулы,подаваемые в верхний конец печи, при ее вращении, постепенно передвигаются кдругому концу барабана, где установлена форсунка   для   сжигания газообразногоили жидкого топлива. Таким образом, вращающаяся печь ра­ботает по принципупротивотока: сырцовые гранулы пере­мещаются навстречу потоку горячих газов,подогреваются и, наконец, попав   в   зону непосредственного воздействияогненного факела форсунки, вспучиваются. Среднее время пребывания гранул в печи— примерно 45 мин.
Чтобыобеспечить оптимальный режим термообработки, зону вспучивания печи,непосредственно примыкающую к форсунке, иногда отделяют от остальной части(зоны под­готовки) кольцевым порогом. Применяют также двухбарабанные печи, вкоторых зоны подготовки и вспучивания представлены двумя сопряженнымибарабанами, вращаю­щимися с разными скоростями.
Вдвухбарабанной печи удается создать оптимальный для каждого вида сырья режимтермообработки. Промыш­ленный опыт показал, что при этом улучшается качествокерамзита, значительно увеличивается его выход, а так­же сокращается удельныйрасход топлива. В связи с тем, что хорошо вспучивающегося глинистого сырья дляпроиз­водства керамзита сравнительно мало, при использовании средне- ислабовспучивающегося сырья необходимо стре­миться к оптимизации режиматермообработки.
Иззарубежного опыта известно, что для получения за­полнителей типа керамзита изсырья (промышленных от­ходов), отличающегося особой чувствительностью к режи­муобжига, используют трехбарабанные вращающиеся пе­чи или три-четыре последовательнорасполагаемые печи, в которых обеспечиваются не только оптимальные скорость идлительность нагрева на каждом этапе термообработки, но и различная газоваясреда.
Значениехарактера газовой среды в производстве ке­рамзита обусловлено происходящими приобжиге химиче­скими реакциями. В восстановительной среде окись железа Fe2O3переходит в закись FeO, что является не только од­ним из источниковгазообразования, но и важнейшим фак­тором перехода глины в пиропластическоесостояние. Вну­три гранул восстановительная среда обеспечивается за счетприсутствия органических примесей или добавок, но при окислительной среде впечи (при большом избытке возду­ха) органические примеси и добавки могутпреждевремен­но выгореть. Поэтому окислительная газовая среда на ста­диитермоподготовки, как правило, нежелательна, хотя имеется и другая точка зрения,согласно которой целесо­образно получать высокопрочный керамзитовый гравий сневспученной плотной корочкой. Такая корочка толщиной до 3 мм образуется (попредложению Северного филиала ВНИИСТ) при выгорании органических примесей вповерх­ностном слое гранул, обжигаемых в окислительной среде.
Помнению автора, при производстве керамзита следует стремиться к повышениюкоэффициента вспучивания сырья, так как невспучивающегося илималовспучивающегося гли­нистого сырья для получения высокопрочного заполнителяимеется много, а хорошо вспучивающегося не хватает. С этой точки зрения наличиеплотной корочки значительной толщины на керамзитовом гравии свидетельствует онедо­использовании способности сырья к вспучиванию и умень­шении выходапродукции.
Ввосстановительной среде зоны вспучивания печи мо­жет произойти оплавлениеповерхности гранул, поэтому газовая среда здесь должна быть слабоокислительной.При этом во вспучивающихся гранулах поддерживается вос­становительная среда,обеспечивающая пиропластическое состояние массы и газовыделение, а поверхностьгранул не оплавляется.
Характергазовой среды косвенно, через окисное или закисное состояние железистыхпримесей, отражается на цвете керамзита. Красновато-бурая поверхность гранул го­воритоб окислительной среде (Fe2O3), темно-серая, почти черная окраска в изломе,— овосстановительной (FeO),
Различаютчетыреосновные технологические схемы подготовки сырцовых гранул, или четыреспособа произ­водства керамзита: сухой, пластический,порошково-пластический и мокрый.
Сухойспособ используют при наличиикамнеподобного глинистого сырья (плотные сухие глинистые породы, глинистыесланцы). Он наиболее прост: сырье дробится и направляется во вращающуюся печь.Предварительно не­обходимо отсеять мелочь и слишком крупные куски, напра­вивпоследние на дополнительное дробление. Этот способ оправдывает себя, еслиисходная порода однородна, не содержит вредных включений и характеризуетсядостаточ­но высоким коэффициентом вспучивания.
Наибольшеераспространение получил пластиче­ский способ. Рыхлое глинистое сырье поэтому способу перерабатывается в увлажненном состоянии в вальцах, глиномешалкахи других агрегатах (как в производстве кирпича). Затем из пластичной глиномассына дырчатых вальцах или ленточных шнековых прессах формуются сырцовые гранулы ввиде цилиндриков, которые при даль­нейшей транспортировке или при специальнойобработке окатываются, округляются.
Качествосырцовых гранул во многом определяет ка­чество готового керамзита. Поэтомуцелесообразна тща­тельная переработка глинистого сырья и формование плот­ныхгранул одинакового размера. Размер гранул задается исходя из требуемойкрупности керамзитового гравия и установленного для данного сырья коэффициентавспучи­вания.
Гранулыс влажностью примерно 20% могут сразу на­правляться во вращающуюся печь или,что выгоднее, пред­варительно подсушиваться в сушильных барабанах, в дру­гихтеплообменных устройствах с использованием тепла отходящих дымовых газоввращающейся печи. При подаче в печь подсушенных гранул ее производительностьможет быть повышена.
Такимобразом, производство керамзита по пластиче­скому способу сложнее, чем посухому, более энергоемко, требует значительных капиталовложений, но, с другойсто­роны, переработка глинистого сырья с разрушением его естественнойструктуры, усреднение, гомогенизация, а так­же возможность улучшения егодобавками позволяют уве­личить коэффициент вспучивания.
Порошково-пластическийспособ отличает­ся от пластического  тем, что   вначале   помолом   сухого глинистого сырья получают порошок, апотом из этого по­рошка при добавлении воды получают пластичную глино-массу, изкоторой формуют гранулы, как описано выше. Не­обходимость помола связана сдополнительными  затрата­ми. Кроме того, если сырье недостаточно сухое,требуется его сушка перед помолом. Но в ряде случаев  этот способ подготовкисырья целесообразен: если сырье неоднородно по составу, то в порошкообразномсостоянии его легче пе­ремешать и гомогенизировать; если требуется вводить до­бавки,то при помоле их легче равномерно   распределить; если в сырье есть вредные  включения зерен   известняка, гипса, то в размолотом и распределенном по всемуобъему состоянии они уже не опасны; если такая тщательная переработка сырьяприводит к улучшению вспучивания, то повышенный выход керамзита и его болеевысокое качест­во оправдывают произведенные затраты.
Мокрый(шликерный) способ заключается вразве­дении глины в воде в специальных больших емкостях — глиноболтушках.Влажность получаемой пульпы (шлике­ра, шлама) /> примерно 50%. Пульпа насосами подается в шламбассейны и оттуда — вовращающиеся печи. В этом случае в части вращающейся печи устраивается завеса изподвешенных цепей. Цепи служат теплообменником: они нагреваются уходящими изпечи газами и подсушивают пульпу, затем разбивают подсыхающую «кашу» на грану­лы,которые окатываются, окончательно высыхают, нагре­ваются и вспучиваются.Недостаток этого способа — по­вышенный расход топлива, связанный с большойначальной влажностью шликера. Преимуществами являются дости­жение однородностисырьевой пульпы, возможность и про­стота введения и тщательного распределениядобавок, простота удаления из сырья каменистых включений и зерен известняка.Этот способ рекомендуется при высокой карь­ерной влажности глины, когда онавыше формовочной (при пластическом формовании гранул). Он может быть приме­нентакже в сочетании с гидромеханизированной добычей глины и подачей ее на завод ввиде пульпы по трубам вместо применяемой сейчас разработки экскаваторами сперевозкой автотранспортом.
Керамзит,получаемый по любому из описанных выше способов, после обжига необходимоохладить. Установле­но, что от скорости охлаждения зависят прочностные свой­ствакерамзита. При слишком быстром охлаждении керамзита его зерна могутрастрескаться или же в них сохранятся остаточные напряжения, которые могут про­явитьсяв бетоне. С другой стороны, и при слишком мед­ленном охлаждении керамзита сразупосле вспучивания возможно снижение его качества из-за смятия размягчен­ныхгранул, а также в связи с окислительными процессами, в результате которых FeOпереходит в Fe2O3, что сопро­вождается деструкцией и снижением прочности.
Сразупосле вспучивания желательно быстрое охлаж­дение керамзита до температуры800—900 °С для закреп­ления структуры и предотвращения окисления закисногожелеза. Затем рекомендуется медленное охлаждение до температуры 600—700 °С втечение 20 мин для обеспечений затвердевания стеклофазы без больших термическихна­пряжений, а также формирования в ней кристаллических минералов, повышающихпрочность керамзита. Далее возможно сравнительно быстрое охлаждение керамзита вте­чение нескольких минут.
Первыйэтап охлаждения керамзита осуществляется еще в пределах вращающейся печипоступающим в нее воздухом. Затем керамзит охлаждается воздухом в бара­банных,слоевых холодильниках, аэрожелобах.
Дляфракционирования керамзитового гравия исполь­зуют грохоты, преимущественнобарабанные — цилиндри­ческие или многогранные (бураты).
Внутризаводскойтранспорт керамзита — конвейерный (ленточные транспортеры), иногдапневматический (по­током воздуха по трубам). При пневмотранспорте возмож­ноповреждение поверхности гранул и их дробление. Поэто­му этот удобный и вомногих отношениях эффективный вид транспорта керамзита не получил широкогораспростра­нения.
Фракционированныйкерамзит поступает на склад го­товой продукции бункерного или силосного типа.
Способыполучения.
Вспучиваниеглинистого сырья на керамзит в печах кипящего слоя.
Впоследнее время в некоторых отраслях промыш­ленности, особенно цветнойметаллургии, получил разви­тие метод обжига материалов в кипящем слое. Этот ме­тодуспешно опробован также в производстве цемент­ного клинкера, извести и новогозаполнителя легких бе­тонов — перлита. Кипящий слой образуется тогда, когдачерез слой ма­териала надлежащей крупности зерен проходит восхо­дящий потокгаза со скоростью, достаточно высокой, что­бы нарушить неподвижность и создатьинтенсивное тур­булентное движение, напоминающее кипение жидкости. При этомскорость газового потока должна быть проме­жуточной между минимальнойскоростью, при которой зерна как бы теряют массу (скорость витания), и ско­ростью,при которой они выносятся из рабочей камеры аппарата (взвешенное состояние).
Внутрикипящего слоя можно сжигать твердое, жидкое и газообразное топливо или подаватьдля обжига теплоноситель извне. Поверхность контакта зерен обжи­гаемогоматериала и теплоносителя достигает в кипящем слое максимальной величины,вследствие чего коэффи­циент теплопередачи отличается весьма высокими пока­зателями—около209 Вт/м 2 с).
Увеличениеповерхности контакта способствует уско­рению тепло- и массообмена, анепрерывное перемеши­вание частиц материала обеспечивает выравниваниетемпературы в слое, что позволяет проводить процесс быстро и в небольшихрабочих объемах. Процессы в ки­пящем слое легко регулируются и поддаютсяавтомати­зации. Как показала практика, в кипящем слое можно обрабатывать зернатвердых материалов размером от долей миллиметра до 10 мм при различнойвлажности, так как влага, попадающая в кипящий слой, почти мгно­венноиспаряется.
Нарядус большими достоинствами метод кипящего слоя обладает и рядом недостатков. Так,интенсивное движение частиц в слое и взаимное их перемещение не позволяютпредсказать положения частицы в какой-ли­бо промежуток времени. Это означает,что часть посту­пающих в камеру свежих частиц может скорее выйти из слоя, чемэто требуется, и перегревается, что для ряда технологических процессовнеприемлемо. Другой недо­статок метода вытекает из условий взаимного соударе­ниячастиц и ударов их о стенки камеры, что приводит к истиранию материала инакоплению пыли, а также преждевременному износу аппарата.
Печидля обжига в кипящем слое имеют самую раз­нообразную конструкцию. Ониподразделяются на одно- и многокамерные. Каждая печь состоит из камеры, свода,пода, устройств для загрузки и выгрузки материала и газоходов.
Местазагрузки и выгрузки материала могут быть расположены сверху, снизу или сбокупечи, но всегда друг против друга. Наиболее существенной частью печи являетсяпод, представляющий собой устройство для равномерного распределения газа(воздуха), поступаю­щего в печь, по нижнему горизонтальному сечению слоя.Каждая рабочая камера печи в горизонтальном сечении может быть выполнена вформе квадрата, прямоуголь­ника, круга и т. д.
Циркуляционныйспособ
/>Кипящий слой псевдоожиженного зернистого мате­риалавосходящими вверх газовыми потоками является не единственным его состоянием вэтих условиях. Так, если в камеру 1 (рис. 1) на решетку 3 через патрубок 4засыпать гранулированный материал, то он образует плотный слой с определенноймежзерновой пустотно-стью. При подаче через этот слой восходящего потока газа спостепенно увеличивающейся скоростью материал сперва будет оставатьсянеподвижным, а сопротивление слоя будет расти с увеличением скорости газа.Когда же сила сопротивления фильтрации- газа сравняется с ве­сом слоязернистого материала, то дальнейший рост гид­равлического сопротивленияпрекращается и увеличение скорости газового потока приводит к расширению слоя.При этом слой взвешивается, увеличивается в объеме, частицы приобретаютподвижность. Поверхность слоя в этом случае выравнивается, и если в стенкекамеры сде­лать отверстие 2, то через него будет вытекать струя материала. Этои послужило основанием назвать слой зернистого материала со свойствамитекучести—псевдоожиженным. При дальнейшем увеличении скорости газа черезпсевдоожиженный слой будут прорываться пузырь­ки, слой начнет интенсивноперемешиваться и бурлить, напоминая кипящую жидкость, что послужило основа­ниемназвать его в этом состоянии кипящим слоем. Ха­рактерным состоянием кипящегослоя является его от­носительная плотность, при которой зерна не отрывают­ся впространство для витания.
Новоеувеличение скорости газа сопровождается вы­носом зерен материала из кипящегослоя.