Область применения строительных горных пород и комплексное их использование
С древнейших времен и до наших дней строительные горные породы широко используются в строительстве. Они относительно доступны и обладают высокими техническими показателями: долговечностью, прочностью, морозостойкостью, хорошими декоративными качествами и др.
Для каждого конкретного строительства рекомендуются определенные виды материалов и изделий из строительных горных пород. Для возведения фундаментов, например, пригоден бутовый камень (размер камня в поперечнике 15—50 см), пиленые и колотые камни из всех видов пород, а для кладки стен — камни, блоки из всех разновидностей известняков, песчаников, доломитов, туфов и др.; для наружной облицовки зданий, применяют облицовочные плиты и профильные изделия из гранита, габбро, базальта, сиенита, диорита, кварцита и др., а для внутренней отделки — те же наименования изделий, но получаемые из мрамора, мраморовидных известняков, гипсового камня, туфов, травертина и др. Строительные горные породы широко используются: в дорожном строительстве в виде бортового и мостильного камней, брусчатки; для защитной облицовки мостовых опор, парапетных, карнизных, а также тротуарных плит. Эти изделия изготовляются из гранита, габбро, базальта, диорита, песчаника и других пород и показывают высокую эксплуатационную стойкость.
Из строительных горных пород наиболее широкое применение находят горные породы: кремнеземистые, которые в своем составе содержат кремнезем SiО2, например, кварцевые пески, песчаники и другие горные породы; глиноземистые, в состав которых входит глинозем Al2O3, например, глины, бокситы и пр.; карбонатные, содержащие углекислый кальций CaCO3 — известняки, мел, мраморы и др.; сульфаты (соли серной кислоты H2SO4), например, гипсы (CaSO4*2Н2О) и ангидриты (CaSO4).
Значительный интерес представляет использование глин. Глины состоят из мельчайших (менее 0,01—0,001 мм) частиц глинистых минералов, образовавшихся в процессах химического выветривания магматических и некоторых других пород. Пригодность глин для производства керамических изделий оценивается их химическим и минеральным составом и свойствами. Химический состав глин обычно характеризуют содержанием оксидов в процентах по массе. Главными и обязательными оксидами, составляющими различные глины, являются кремнезем SiO2 (от 40 до 70 %) и глинозем Al2O3 (от 15 до 35 %). Постоянными компонентами глин являются также К2О и Na2O (от 1 до 5 %), химически связанная вода H2O (около 5—15 %). Часто присутствует гематит Fe2O3 (0—7 %). Встречаются в глинах и другие соединения, например, TiO2, MgO, карбонаты Ca и Mg, органические примеси. В каолннитовых глинах содержание глинозема и кремнезема почти одинаково, тогда как в монтмориллонитовых и магнезиальных возрастает количество кремнезема за счет снижения содержания глинозема. Резкое возрастание кремнезема обычно обусловливается присутствием песчаной примеси в глинах. С увеличением Аl2О3 повышается пластичность глин и огнеупорность, а с повышением содержания кремнезема пластичность глин снижается, увеличивается пористость, снижается прочность обожженных изделий. Присутствие оксидов железа и тонкодисперсных карбонатов CaCO3 и MgCO3 снижает огнеупорность глин, увеличивая усадку изделий. Наличие в глине щелочей ухудшает формуемость изделий, понижает огнеупорность и вызывает появление белых пятен на изделиях.
Свойства глин имеют важное значение. Среди физических свойств особенно важно знать их пластичность, связующую способность, водопоглощаемость, воздушную и огневую усадки, огнеупорность и др.
Химический состав оказывает влияние на температуру плавления глин. Температура плавления оксидов сравнительно высока: SiO2 — 1713 °С, Al2O3 — 2050, MgO — 2800, Fe2O3 — 1548, FeO — 1380, TiO2 — 1700 °C. В глинах, однако, практически мало имеется химически чистых оксидов. Они находятся в химических соединениях в виде минералов, а при повышенных температурах создают смеси, которые значительно снижают температуру плавления глинистых частиц.
Характерным свойством глин является их способность при обжиге превращаться в камневидный материал.
Среди непластичных материалов, используемых в керамическом производстве, — отощающие, выгорающие и плавни. К отощающим добавкам относятся кварцевые пески, пылевидный кварц, кремень, шамот (огнеупорная глина или каолии, обожженные до потери пластичности, удаления химически связанной воды и определениой степени спекания) и др. К выгорающим добавкам относятся древесные опилки, торф, каменный уголь и др., которые создают пористость после их выгорания при обжиге изделий и могут выполнять функции отощающей добавки (снижать пластичность). К плавням (флюсам) относят материалы, которые в процессе обжига взаимодействуют с глинистым веществом с образованием более легкоплавких соединений, чем чистое глинистое вещество. Среди них — полевые шпаты, пегматит, мел, доломит, руды с содержанием оксидов железа и др. Иногда в глину вводят еще специальные добавки, например, с целью повышения кислотостойкости — песчаные смеси, затворенные жидким стеклом, для окрашивание изделий — оксиды металлов, для улучшения качества кирпича — фосфаты натрия, для вспучивания — кокс и др.
В настоящее время глинистые породы (глина, каолин) имеют широкое применение в различных отраслях промышленности. Из них путем формования, сушки и обжига получают:
• кирпич и камни керамические по прочности восьми марок: 300, 250, 200, 175, 150, 125, 100 и 75; по морозостойкости — четырех марок: F 15, 25, 35 и 50; кирпич изготовляют одинарным размером 250х120х65 мм и утолщенный 250х120х88 мм; модульный кирпич с технологическими пустотами выполняют размером 288х138х63 мм; кирпич и камни керамические применяют для наружных и внутренних несущих н самонесущих промышленных и гражданских зданий, а также для изготовления крупных стеновых блоков и панелей для индустриального строительства;
• кирпич керамический лекальный для кладки промышленных кирпичных дымовых труб и футеровки труб в случаях нагрева кирпича дымовыми газами до температуры не более 700 °С; кирпич лекальный выпускают длиной 80—225 мм с радиусом кривизны 850—1500 мм по прочностным показателям трех марок: M100, 125 и 150; водопоглощение его — не менее 8 %, морозостойкость — не ниже F15;
• кирпич и камни керамические лицевые для облицовки фасадов зданий;
• плитки для полов правильной формы (квадратная, прямоугольная, шестигранная, восьмигранная, треугольная с длиной грани 50—150 мм и толщиной 10—13 мм) с водопоглощением не более 4 %;
• трубы керамические канализационные диаметром 150— 600 мм, длиной 800—1200 мм;
• трубы керамические дренажные диаметром 25—250 мм, длиной 333—500 мм;
• изделия санитарно-технической керамики (ванны, умывальники и др.);
• кирпич, плитки кислотоупорные для футеровки аппаратов и газоходов, варочных котлов целлюлозной, гидролизной и других отраслей промышленности;
• трубы керамические кислотоупорные и фасонные части к ним для перемещения неорганических и органических кислот и газов;
• керамзит (легкий пористый материал ячеистого строения с закрытыми порами как заполнитель для легких бетонов);
Кроме того, каолины применяются для изготовления фарфоро-фаянсовых изделий, как основная (80—90 %) часть шихты. В бумажной и химической промышленности каолины применяются как наполнитель бумажной массы и резины. Текстильная, металлургическая, химическая, фармацевтическая промышленности также являются потребителями каолина.
Значительное использование в промышленности строительных материалов получили карбонатные породы.
Сырьем для производства гипсовых вяжущих веществ (порошкообразные минеральные материалы, которые при смешивании с водой или водными растворами некоторых солей образуют тесто-пластическую массу, способную со временем отвердевать, превращаясь в камневидное тело) служат сульфатные горные породы, содержащие преимущественно минерал двуводный гипс — CaSO4*2H2O. При тепловой обработке природный гипс постоянно теряет часть химически связанной воды, а при температуре от 110 до 180 °C становится полуводным гипсом — CaSO4*0,5Н2О. После тонкого измельчения и обжига этого продукта получают гипсовое вяжущее вещество.
При температурах обжига (800—950 °С) помимо обезвоживания гипсового сырья происходит частично образование CaO, активизирующее химическое взаимодействие вяжущего вещества с водой и ускоряющее процессы твердеиия. Начало схватывания наступает не ранее 2 ч, предел прочности составляет при сжатии 10—20 МПа, а водостойкость несколько выше, чем у гипсовых вяжущих веществ, полученных при температуре 110—180 °C. Высокообжиговое вяжущее вещество (t = 800—950 °C) применяют для изготовления декоративных и отделочных материалов, искусственного «мрамора», штукатурных растворов, устройства бесшовных полов и подготовки под линолеум.
Сырьем для производства воздушной строительной извести служат плотные известняки, ракушечники, мел, доломитизированные известняки при условии, что содержание в них глинистых примесей не превышает 6 %. Сырье обжигают при температуре 1000—1200 °C до полного удаления углекислого газа. Признаком высокого качества извести является высокое содержание в ней CaO и MgO. Содержание чистых оксидов CaO + MgO в общем количестве извести называют ее активностью. По активности и содержанию непогасившихся зерен определяется сорт извести (табл. 1.8).
Если комовую известь измельчить, получится молотая негашеная. Более распространена в строительстве известь гашеная, получаемая путем затворения водой негашеной извести по реакции с выделением тепла: CaO + Н2О = Ca(OH)2 + 63,7 кДж.
Гашение извести производят в пушонку или в известковое тесто. При расходе воды 1 л на 1 кг комовой извести известь превращается в тонкий рыхлый порошок (пушонку) со значительным увеличением в объеме; при расходе воды 2—3 л на 1 кг извести получается известковое тесто.
Воздушную известь применяют для приготовления кладочных и отделочных растворов, изготовления штучных бетонных изделий, силикатного кирпича и других известково-песчаных изделий автоклавного твердения.
Гидравлические вяжущие вещества могут быть использованы как в сухих (воздушных), так и во влажных условиях. Сырьем для гидравлической извести служат мергелистые известняки с содержанием в них глины и песчаных примесей от 6 до 20 %. Сырье обжигается при температуре 900—1000 °C. При обжиге образуется не только свободная известь CaO, но и ее химические соединения с оксидами глины: силикаты 2СаО*SiO2 (или Ca2SiO4), алюминаты 2СаО*Al2O3 (или Ca2Al2O5), ферриты 2СаО*Fe2O3 (или Ca2Fe2O5) кальция. После затворения извести водой происходит образование гидросиликатов, гидроалюминатов и гидроферритов кальция, нерастворимых в воде, что придает гидравлические свойства извести. После предварительного твердения на воздухе такая известь, в отличие от воздушной, продолжает набирать прочность в воде.
Характеристикой сырья и готового вяжущего вещества служит гидравлический, или основной, модуль:
Для гидравлической извести основной модуль может колебаться в пределах от 1,7 до 9, т.е. в очень широких пределах. От него зависят свойства извести. Различают известь слабогидравлическую (m = 4,5-9) и известь сильногидравлическую (m = 1,7-4,5). У воздушной извести гидравлический модуль более 9.
В настоящее время гидравлическая известь имеет ограниченное применение — для строительных растворов и бетонов невысокой прочности. Обычно же используют портландцемеиты.
Портландцементом называется гидравлическое вяжущее вещество — продукт тонкого измельчения портландцементного клинкера с добавкой гипса в количестве 3—5 %. Клинкер получают путем равномерного обжига тонкодисперсной однородной сырьевой смеси определенного состава из известняка и глины. Совместно с глиной при расчете состава в смесь могут добавляться мергель, доменный шлак, опока и др. Некоторые мергелистые известняки с содержанием глины до 22—25 % также могут применяться для получения портландцементного клинкера.
При расчете состава сырья используется гидравлической или основной модуль, указанный выше, а также силикатный или кремнеземный:
Производство портландцемента состоит: в приготовлении смеси; обжига этой смеси до спекания в клинкер; в складировании клинкера; в помоле клинкера с гипсом и другими минеральными добавками.
Требования к маркам портландцемента и некоторым его разновидностям приведены в табл. 1.9.
Сырьем для магнезиальных вяжущих веществ служат магнезит MgCO3 и доломит CaCO3*MgCO3. Обжиг магнезита производится при температуре 750—800 °C до полного разложения MgCO3 на MgO и CO2 с удалением углекислого газа. После помола MgO представляет воздушное вяжущее вещество, называемое каустическим (едким, жгучим) магнезитом, которое имеет предел прочности при сжатии 40—100 МПа. Обжиг доломита производят при более низких температурах (650—750 °C), так как при повышении температуры обжига начинает разлагаться и CaCO3 с образованием извести. Разложение происходит по реакции CaMg(CO3)2 —> MgO + CaCO3 + CO2. В этом случае (MgO + CaCO3) называют каустическим доломитом, который из-за инертной примеси CaCO3 не имеет высокой прочности (не превышает 10—30 МПа). Магнезиальные вяжущие вещества применяются для производства ксилолита (заполнитель — древесные опилки) и фибролита (заполнитель — узкая и длинная древесная стружка), которые соответственно используются для изготовления бесшовных полов, облицовочной плитки и для производства теплоизоляционных изделий, перегородок помещений в строительстве.
Технические условия при производстве оконного стекла определяют конкретный химический состав известняка, доломита и других компонентов с ограничением содержания оксидов железа. Примерный состав шихты (на 100 кг стекла) для вертикального вытягивания ленты стекла со свободной поверхности стекломассы составляет (в кг): кварцевый песок — 64,3; доломит — 18; известняк — 4; сода — 21,7; сульфат натрия — 2,5; пегматит — 10,4; уголь — 0,5, а химический состав оконного стекла будет (в % по массе): SiO2 72-72,8; Al2O3 1,5-1,7; Fe2O3 0,1; CaO 8-8,1; MgO 3,5-3,8; Na2O 13,4-13,5; K2O 0,5; SO3 0,5.
Требования к известняку, используемому в сахарной промышленности, устанавливают: содержание CaCO3, MgCO3, SiO2, нерастворимого осадка Al2O3 + Fe2O3, CaSO4, K2O + Na2O, а также пределы прочности (не менее 10 МПа) и кусковатости (не менее 60 мм). Расход известняка составляет 0,3—0,5 т на 1 г сахара.
Потребительскими стандартами к известняковой муке предъявляются следующие требования. Для сельского хозяйства: содержание CaCO3 + MgCO3 — не менее 85 %; влажность — не более 12 %; полный остаток на ситах (%) с отверстиями: 1 мм — 5; 0,25 мм — до 30. Для подкормки сельскохозяйственных животных и птицы известняковая мука по физико-химическим показателям должна соответствовать показателям, приведенным в табл. 1.10 и 1.11.
Степень использования строительных горных пород для нужд народного хозяйства зависит от качества и их запасов, уровня развития науки, техники, технологии и экономики их добыли. В настоящее время использование ресурсов строительных горных пород рассматривается в ограниченной области.
Для получения щебня различных фракций из строительных горных пород отходы производства составляют при разработке месторождений: песчано-гравийных — более 50 % (песок 0—5 мм); карбонатных — 40—50 %; гранитных —до 20 %.
На многих мраморных и гранитных карьерах выход кондиционных блоков составляет 10—15 %, а доля попутного полезного ископаемого в виде бутового камня и окола достигает 90 %. На карьерах стенового камия отходы достигают 55 % (штыб, бутовый камень). Поэтому необходимо ставить вопрос о комплексном использовании природных ресурсов в различных отраслях народного хозяйства при соответствующей переработке горной массы на карьерах и выпуске продукции, отвечающей требованиям различных потребителей.
Для повышения рентабельности разработки месторождений следует проводить исследования с целью более полного вовлечения в сферу производства отходов, продуктов переработки и обогащения строительных горных пород. На ряде предприятий стройиндустрии, разрабатывающих месторождения строительных горных пород, наряду с основной продукцией (щебень, Гравий, песок и др.) уже выпускаются бордюрный камень, тротуарные плиты, фундаментные блоки, железобетонные изделия и др.
Для Вяземского ГОКа была разработана технология производства мозаичных облицовочных плит на основе песка и щебня с использованием синтетических смол в качестве связующего компонента, а также для получения защитных покрытий. Были выбраны полиэфирные смолы ПН-1, ПН-2 и эпоксидные смолы ЭД-20, ЭД-16, применение которых предусмотрено ГОСТ-24099—80 «Плиты декоративные на основе природного камня».
Эксперименты были направлены на исследование свойств сырья, отходов и подбор вещественного и гранулометрического составов заполнителей искусственного камня (полимербетона), удовлетворяющих заданной декоративности облицовочных плит. На следующем этапе устанавливался рациональный расход синтетических смол, обеспечивающих технологичность процесса изготовления плит (удобоукладываемость) и достаточные физико-технические свойства отвержденных полимербетонов.
В результате для изготовления облицовочных плит на основе песка и продуктов переработки Вяземского песчано-гравийного месторождения были установлены следующие составы полимербетонов, отвечающие требуемым декоративным и физико-техническим свойствам:
• состав № 1 — смола с отверждающими компонентами (100 масс, ч.); песок фракции 0—1,25 мм (75 масс, ч.); отсевы дробления гравия фракции 1,25—5 мм (100 масс, ч.); щебень из гравия фракции 5—10 мм (75 масс, ч.);
• состав № 2 — смола с отверждающими компонентами (100 масс, ч.); песок из отсевов дробления пород фракций 0—1,25 мм (12,5 масс, ч.) и 1,25—5 мм (100 масс. ч.).
В качестве отвердителей для эпоксидной смолы ЭД-20 был использован полиэтиленполиамии (10 % от массы смолы), для полиэфирной смолы ПН-1 — перекись бензоила (4 %), растворенная в стироле в соотношении 1:2 по массе. В качестве ускорителя отверждения применялся диметиланилин.
В табл. 1.12 приведены результаты испытаний полимербетонов указанных составов, пригодных для изготовления мозаичных облицовочных плит полированной фактуры.
Испытания облицовочных плит проводились согласно техническим условиям ГОСТ 24099—80.
Экономическая эффективность производства полимербетонных плит полированной фактуры (получаемая без механической шлифовки и полировки по сравнению с плитами, изготовленными по ГОСТу) достигается за счет использования песка, щебня и отходов производства предприятий, перерабатывающих строительные горные породы, при рациональном использовании полимерных смол.
Опыт показывает, что дешевым сырьем для производства щебня могут быть скальные вскрышные породы различных горнорудных предприятий (например, вскрышные породы железорудных месторождений КМА, Урала). Кроме вскрышных скальных пород для производства щебня и песка (для балластировки железнодорожных путей, устройства покрытий и оснований автомобильных дорог) могут быть использованы рудные отходы (хвосты) обогатительных фабрик. Использование попутно добываемой горной массы на камнедобывающих карьерах имеет большое, часто даже решающее значение для их рентабельности. В качестве примера можно указать на карьеры пильного известняка, где отходы от добычи стенового камня используются в качестве сырья для цементных заводов и флюсов для металлургической промышленности. Из отходов при добыче блоков на мраморных карьерах получают мраморную крошку, а на гранитных карьерах — щебень и бутовый камень.
Следует отметить, что на всех месторождениях строительных горных пород, предназначенных для производства щебня гравия и песка, проводились исследования сырья как заполнителя для бетона (для приготовления 1 м3 уплотненного рядового тяжелого бетона необходимо 280 кг цемента, 170 кг воды, 1250 кг щебня и 700 кг песка). Так, щебень и гравий должны характеризоваться следующими показателями согласно ГОСТам: зерновым составом; формой зерен; прочностью; содержанием зерен слабых пород; содержанием пылевидных, глинистых и илистых частиц; морозостойкостью; петрографической характеристикой; плотностью: истинной (без пор), средней (включая поры), насыпной (включая поры и межзерновые пустоты); пористостью; пустотностью; водопоглощением. Пески должны характеризоваться следующими показателями: зерновым составом; содержанием пылевидных, глинистых и илистых частиц, в том числе глины в комках; содержанием органических примесей; минералого-петрографическим составом; содержанием пород и минералов, относимых к вредным примесям. Пески дробленые и дробленые из отсевов дробления должны характеризоваться также пределом прочности исходной горной породы при сжатии в насыщенном водой состоянии. В то же время большинство месторождений строительных горных пород представлено обломочными горными породами — валунами, галечником, щебнем, конгломератами, гравием, песком, глиной, алевролитом, супесями, суглинками и др. А к разным обломочным породам приурочены различные ценные минералы. Например, россыпи золота связаны преимущественно с галечником, россыпи ильменита (FeTiO3) — с песком, ниобий — с глинами и др. Поэтому необходимо как при проведении геологоразведочных работ, так и в процессе разработки месторождений строительных горных пород проводить комплексные исследования вскрышных пород и полезных ископаемых на предмет выявления и других попутных минералов (золота, циркония, серебра, титана, алмазов и др.).
Дальнейшее исследование, изучение и внедрение комплексного использования строительных горных пород является одной из важных задач горной науки и производства.
Источник
