Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

В ряде областей Казахстана (Западно-Казахстанская, Атырауская, Кустанайская и другие области) вследствие геологических особенностей территории отсутствуют прочные каменные материалы. Проведенные маркетинговые исследования по определению спроса щебня на рынке строительных материалов г. Уральска и Западно-Казахстанской области показали, что ежегодный спрос на щебень в данных регионах составляет более 1 млн 200 тыс. т.

В настоящее время Западно-Казахстанская и Атырауская области обеспечиваются щебнем из Актюбинской области, расстояние между ними составляет более 600 км. Например, цена доставки одной тонны щебня в Западно-Казахстанскую и Атыраускую область из Актюбинской области (Мугалджарское месторождение горных пород) увеличивается в 5 раз и более. Экономические расчеты показывают, что транспортировка щебня на расстояние более 70–100 км становится нерентабельной.

Использование больших объемов привозных каменных материалов значительно удорожает в целом строительство, включая дорожное, и вызывает организационные трудности. В таких районах целесообразно применять каменные материалы, полученные по специально разработанным технологиям на основе переработки легкодоступных глинистых пород и крупнотоннажных техногенных ресурсов (различные виды шлаков и зол и т.п.). В строительном материаловедении их относят к искусственным заполнителям (керамзит, термолит), которые по своим физико-механическим свойствам не уступают природным, а по некоторым характеристикам даже превосходят их.

К основным их преимуществам касательно физико-механических свойств относятся такие важные совместимые характеристики, как легкость, относительно высокие прочностные показатели, звуко- и теплоизолирующие свойства по сравнению с традиционными заполнителями, полученными на основе переработки природных твердых горных пород. К числу таких самых распространённых природных твердых горных пород относятся граниты известняки, доломиты и т.п. Заполнители, полученные на основе этих материалов, широко применяется в гражданском, промышленном и дорожном строительстве благодаря высоким прочностным показателям.

Анализ сравнения технологических процессов получения природных и искусственных заполнителей и их физико-механических свойств позволил сделать следующие заключения:

1. Средняя плотность природных заполнителей в виде щебня колеблется в пределах 1400–1800 кг/м3, что относит их к категории тяжелых материалов. Коэффициент теплопроводности у указанных материалов более 2,0 Вт/мК, что свидетельствует об отсутствии теплоизолирующих свойств.

2. Нет возможности регулировать заложенные природой их свойства в сторону снижения средней плотности и повышения теплоизолирующих свойств.

3. Высокая средняя плотность природных заполнителей в виде щебня сильно влияет на логистику. Это означает, что потребитель получает продукт в меньшем объёме, так как транспортные средства загружаются в зависимости от их грузоподъёмности. Например, автотранспорт с объёмом кузова 10 м3 загружается наполовину, так как полная загрузка превышает их грузоподъёмность. В результате потребитель оплачивает полные транспортные расходы за меньший объём привезенного материала.

4. Искусственные заполнители, получаемые на основе природных глинистых пород, имеют преимущества: низкую среднюю плотность (400–1000 кг/м3) и звуко- и теплоизоляционные свойства. Коэффициент теплопроводности таких материалов находится в пределах 0,1–0,8 Вт/мК.

5. Одним из существенных преимуществ технологии получения искусственных заполнителей является возможность проектирования и регулирования свойств конечного продукта путем изменения технологических параметров производства на стадии разработки новых сырьевых составов сырьевых смесей, на стадии дробления, помола и перемешивания композиции путем дополнительного введения модифицирующих добавок, формования, сушки и обжига.

6. Инновационные подходы в области создания искусственных заполнителей – это основа для реализации новых технологических решений и получения материалов с совершенно новыми свойствами, востребованными на внутреннем и внешнем рынке и соответствующими критерию ресурсо- и энергосбережения.

С точки зрения создания отечественных технологий получения искусственных заполнителей, в Казахстане наибольший интерес представляет организация производства керамического дорожного материала (керамдор), представляющего собой искусственный щебень (гравий), получаемый путем обжига гранул глинистых пород во вращающихся печах.

Обзор предшествующих научных исследований, проведенных в мире в области разработки технологии различных заполнителей, показал высокую актуальность данного направления. Даже в развитых странах, таких как США и Япония, странах Европы и СНГ спрос на легкие и прочные заполнители очень высокий в таких отраслях, как промышленное, гражданское и дорожное строительство, строительства мостов и тоннелей и даже в строительстве очистных сооружений.

В США и в ряде стран Западной Европы освоено производство заполнителей, шлаковой пемзы из доменных шлаков. Во Франции и Бельгии построены заводы для производства заполнителей из отходов углеобогатительных фабрик, где обжиг гранул ведут во вращающихся печах. Производительность завода – 1000 м3 заполнителя в сутки. Завод полностью автоматизирован, обжиг ведут 2 оператора. В зависимости от спроса выпускают заполнитель с насыпной плотностью от 300–1000 кг/м3. Все эти технологии взаимосвязаны с предлагаемым подпроектом касательно подготовки сырьевых материалов, дробления, гранулирования и обжига во вращающихся печах.

Подробный анализ исследований в мире показывает, что создание новых искусственных заполнителей вполне можно отнести к актуальной проблеме устойчивого развития стран, так как они направлены на производство высоковостребованного материала во всем мире.

В США и Канаде производят заполнитель из вспученных и диспергированных доменных шлаков по технологии, разработанной фирмой «National Slag» (г. Хамилтон, пров. Онтарио). Объем производства заполнителя, называемого «pelletized slag», составляет около 1 млн м3, и большая часть этой продукции используется для производства штучных стеновых материалов. Бетон на основе этого вида заполнителя используется в несущих стенах и преднапряжённых перекрытиях при строительстве высотных зданий, а также в пролётных строениях мостов. В США несколько заводов производят заполнитель на основе холодно-связанной золы-уноса [1].

Самарскими учеными проведены исследования по разработке технологий получения высокопрочного керамзита и керамдора для несущих конструкций и дорожного строительства. Проведенные испытания показали, что полученная продукция отвечает требованиям соответствующих нормативных документов. Полученный материал обладает плотной спеченной структурой, высокой прочностью и низким водопоглощением [2].

Анализ проведенных исследований показал, что для разработки эффективной технологии производства искусственных заполнителей необходимы глубокие научно-экспериментальные исследования по каждому конкретному случаю использования природных и техногенных ресурсов с учетом их физико-механических свойств и химико-минералогического состава [3–5].

Цель исследования: исследование возможности получения керамического дорожного материала на основе переработки легкодоступных глинистых пород Западно-Казахстанской области (ЗКО).

Материалы и методы исследования

Для решения поставленной цели нами в качестве основного сырьевого материала выбран лессовидный суглинок Чаганского месторождения, а в качестве модифицирующей добавки – мелкозернистый песок месторождения «Меловые горки».

По содержанию Al2O3 суглинок относится к группе кислого сырья, а по огнеупорности ‒ к легкоплавким. По содержанию Fe2O3 относится к сырью с высоким содержанием красящих оксидов.

Песок месторождения «Меловые горки» относится к кварцево-полевошпатовому. Наличие небольшого количества сульфатов свидетельствует о включениях сульфата кальция. По модулю крупности данный песок относится к тонкозернистым пескам.

Основные физико-механические свойства мелкозернистого песка представлены в табл. 1.

Из керамической массы формовались гранулы диаметром 5–10, 10–20 мм. Сушка проводилась при комнатной температуре, обжиг сырцовых гранул осуществляли в электрической печи СНОЛ-80/1 при различных температурах: 950, 1000, 1100 °С. После обжига образцы керамдора имели ярко-красный цвет с шероховатой поверхностью (рисунок).

Полученные лабораторные образцы подвергались испытанию по определению физико-механических свойств.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты испытания физико-механических свойств показаны в табл. 3.

Как показывают результаты исследований керамдора, с увеличением количества мелкозернистого песка и повышением температуры обжига до 1100 °С наблюдается рост средней плотности и прочностных показателей образцов. Общий вид керамдора при различных температурах обжига представлен на рисунке.

а) б) в)

Общий вид керамдора при различных температурах обжига: а) при Т 950 °С, б) при Т 1000 °С, в) при Т 1100 °С

В изломе обожжённые образцы керамдора имеют мелкопористую спеченную макроструктуру.

Выводы

Таким образом, установлена реальная возможность получения керамического дорожного материала на основе лессовидных суглинков в композиции с мелкозернистым песком Западно-Казахстанского месторождения. Полученные научно-экспериментальные данные служат основой для разработки эффективной технологии производства керамдора по критерию ресурсо- и энергосбережения.