Аспирант Лебедев М.С.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Россия

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМПЕРАТУРЫ ОБРАБОТКИ
МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ[*]

На сегодняшний день весьма важная роль в подготовке сырьевых материалов отводится тепловому воздействию, которое направлено на просушку, нагрев до необходимой температуры или даже кратковременный обжиг с целью, например, частичной или полной дегидратации, аморфизации, укрупнения частиц сырья для понижения пластичности [1].

Ввиду отсутствия четких границ разделения технологических процессов по температурам обработки строительных материалов, в том числе для дорожного строительства, предлагается условно выделить 3 вида термического воздействия с примерными границами температур: низкотемпературная (сушка) (до 300 °С), среднетемпературная (~300–900 °С), и высокотемпературная (обжиг) (свыше 900 °С) обработки. Остановимся на каждом из них.

Процесс сушки назначают с учетом особенностей исходного сырья как многокомпонентной системы, состоящей из вещества, слагающего материал, влаги и воздуха. В современных условиях на асфальтобетонных заводах сушка минеральных материалов происходит при температурах 120–185 °С в зависимости от вязкости применяемого битума, вида и марки асфальтобетона. В этом интервале температур происходит испарение из различных минералов и пор свободной и адсорбированной воды. Для приготовления литых смесей с применением высоковязких битумов материалы нагревают до температуры 250–300 °С, что вызвано особенностями технологического процесса [2]. В основном применяют сушильные агрегаты, где просушивание материалов происходит вследствие излучения факела сгораемого топлива и конвекционной передачи тепла при непосредственном контакте горячих газов с песком и щебнем, а также путем кондуктивной передачи тепла от горячих стенок и лопастей сушильного барабана. Газы, циркулирующие с барабане, достигают температуры 400–600 °С. Температура подаваемого в барабан теплоносителя должна быть не более 900 °С. Режим нагрева минеральных материалов должен обеспечивать полное удаление содержащейся в них влаги [3].

Под обжигом в технологии строительных материалов понимают высокотемпературную тепловую обработку сырья и полуфабрикатов, в результате которой в них совершаются необратимые физико-химические процессы, изменяющие фазовый состав, структуру и физико-технические свойства материала, без изменения их агрегатного состояния и без существенного изменения объема [1]. Наиболее широко обжиг используется в технологии керамических изделий, при этом в зависимости от термических свойств сырьевой смеси обжиг ведут в широком диапазоне температур от 900 до 1350 °С. Результатом всех протекающих реакций и превращений является спекание обжигаемого изделия, под которым понимают уплотнение с образованием твердого камнеподобного керамического тела. Путем обжига соответствующего минерального сырья также получают неорганические вяжущие вещества. Например, воздушную известь получают из карбонатного сырья при t=900–1200 °С, образование цементного клинкера сопровождается сложными физическими и физико-химическими процессами с использованием карбонатного и алюмосиликатного сырья, происходящих при высоких технологических температурах, достигающих 1300–1450 °С.

Температурную зону от сушки до обжига можно условно считать среднетемпературной областью обработки. Такой «умеренной» обработки в большинстве своем недостаточно для получения строительных материалов или их компонентов (вяжущих), а подготовка сырья потребует дополнительных материальных и энергетических затрат, что должно быть обосновано с технологической точки зрения. Одним из таких случаев может являться наличие органических примесей (например угля), выгорание которых начинается при температуре выше 300 °С. Если рассматривать остальные компоненты сырьевых материалов, то изменения в их структуре носят зачастую временный характер и требуют для стабилизации более высоких температур. Например, полиморфное превращение кварца при 573 °С будет обратимым без применения обжига с температурой не менее 870 °С [4]. Применительно к одному из наиболее общедоступных сырьевых материалов – алюмосиликатным породам осадочного чехла, значительную долю в которых составляют глинистые минералы, – при температурах 250–900 °С происходит дегидратация последних, например, каолинита в интервале температур 450–600 °С, монтмориллонита и гидрослюд – при температурах 800–850 °С [1]. При этом, исходя из литературных данных [5, 6], в описанном интервале температур улучшаются как пуццолановые свойства, характеризуемые поглощением извести, так и повышается адсорбционная активность и адгезия к высокомолекулярным соединениям полимеров и битумов. Повышение активности материалов можно объяснить формированием наиболее реакционно-способного состояния вещества, использование которого является перспективным направлением улучшения качественных показателей строительных материалов с использованием термически обработанного сырья. Другим «плюсом» такого модифицирования может стать расширение номенклатуры сырья, ранее не применяемого в силу определенных причин, для производства конкретных видов строительных материалов. Например, алюмосиликатное сырье после разной степени температурного воздействия можно использовать как добавки к неорганическим вяжущим [7].

Таким образом, выбор интенсивности теплового воздействия на минеральные материалы обуславливается видом сырья, назначением данного технологического процесса (удаление влаги, спекание и т.п.) и минимальных материальных и энергетических затрат на достижение цели. Применение тех или иных режимов обработки носит установившийся характер и зависит от вида получаемого строительного материала или его компонентов. Однако, и на стадии подготовки сырья можно предложить направления улучшения его свойств, заключающиеся в повышении активности или придания новых качеств, что позволит направленно управлять процессами структурообразования в композиционных материалах с применением термически обработанных минеральных составляющих.

Список литературы

1. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение / И.А. Рыбьев. – М.: Высшая школа, 2004. – 701 с.

2. Горелышев Н.В. Асфальтобетон и другие битумоминеральные материалы / Н.В. Горелышев. – М.: Можайск–Терра, 1995. – 176 с.

3. Дорожный асфальтобетон / Л.Б. Гезенцвей, Н.В. Горелышев, А.М. Богуславкий, И.В. Королев; под ред. Л.Б. Гезенцвея. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1985. – 350 с.

4. Айлер А. Химия кремнезема: пер. с англ. – М.: Мир, 1982. Ч. 1. – 416 с.

5. Дворкин Л.И. Строительные материалы из отходов промышленности: учебно-справочное пособие / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин. – Ростов н/Д: Феникс, 2007. – 368 с.

6. Книгина Г.И. Строительные материалы из горелых пород / Г.И. Книгина. – М., Стройиздат, 1966. – 208 с.

7. Строкова В.В. Прессованные силикатные материалы автоклавного твердения с использованием отходов производства керамзита / В.В. Строкова, Н.И. Алфимова, В.С. Черкасов, Н.Н. Шаповалов // Строит. материалы. – 2012. – №3. – С. 14–15.