Грунты насыпные и с органическими веществами

К грунтам с большим содержанием органических веществ относятся: культурный растительный слой, органический ил, торфяные и болотные грунты. Они являются весьма ненадёжными для непосредственного возведения на них фунда-ментов здания, и в огромном большинстве случаев наиболее целесообразно про-резать такие грунты и располагать основание на подстилающих слоях. Химиче-ский состав грунтовых вод в таких грунтах должен быть тщательно обследован, так как в них часто бывают растворены соли, разрушающие материалы фундамента. Строительные свойства насыпных и искусственно созданных грунтов опре-деляются возрастом и материалом насыпи. Достаточно плотные, однородные на-сыпи, не имеющие органических включений, могут быть использованы в каче-стве основания. Податливость таких грунтов должна быть определена путём специальных исследований. В некоторых случаях специально делаются насыпи для оснований; в процессе создания таких насыпей ведётся тщательное наблюдение за их однородностью и плотностью, и устройство фундаментов не отличается от обыкновенных. Для образования таких насыпей применяют рефуллированный песок и гранулированный шлак.

Карбонатные породы - из них в цементной промыш­ленности используют известняк, мел, известняк-раку­шечник, мрамор, известковый туф и другие. Эти породы со­стоят в основном из углекислого кальция СаСО₃. Чаще применяют известняки и мел, осадочное происхождение которых обусловливает разнообразие химического со­става и физических свойств. Качество карбонатных по­род зависит от структуры, количества примесей, равно­мерности распределения их в массе сырья.

По величине зерен известняки подразделяют на:

• грубозернистые;
• крупнозернистые;
• среднезернистые;
• мелкозернистые;
• тонкозернистые.

Размеры их зерен соответственно со­ставляют: 2-1; 1-0,5; 0,5-0,25; 0,25-0,1; 0,1-0,01 мм.

Мел - скрытокристаллическая слабосцементирован­ная порода белого цвета. Он состоит почти целиком из микрозернистого (менее 0,01 мм) кальцита и мельчай­ших органических остатков. Плотность известняков составляет 2000-2800 кг/м³, мела 1600-2400 кг/м³, влажность известняков 3-10%, мела 15-25%, прочность на сжатие известня­ков до 100 МПа, мела 0,5-15МПа. Для производ­ства портландцемента пригодны карбонатные породы при содержании 40-43,5% СаО, 3,2-3,7% MgO. Же­лательно, чтобы сумма Na₂O и К₂О не превышала 1%, а содержание SO₃ 1,5-1,7%. Более благоприятны по­роды с постоянным химическим составом и однородной мелкокристаллической структурой. Наиболее реакционноспособны мел и мелкокристаллические известняки. Полезны примеси тонкодисперсного глинистого вещест­ва и аморфного кремнезема при равномерном распреде­лении их в карбонатной породе. Включения же значи­тельных количеств доломитов, имеющих низкую реак­ционную способность, нежелательны. В зависимости от качества сырья меняются температура обжига, про­изводительность печи и свойства продукта. Мраморовидные известняки повышенной плотности обжигаются труднее, чем известняки обычные.

Особым видом карбонатного сырья является мер­гель - осадочного происхождения переходная горная порода от известняков к глинам. Мергель представляет собой природную тонкодисперсную, равномерную смесь глинисто-песчаных веществ (20-50%) и мельчайших частиц углекислого кальция (80-50%). В зависимости от содержания СаСО₃ и глинисто-песчаного вещества мергели подразделяют на песчаные, глинистые и изве­стковые. Наиболее ценное сырье - известковый мергель, содержащий 75-80% СаСО₃ и 20-25% глины. По хи­мическому составу он близок к готовой портландцементной сырьевой смеси, и его использование упрощает технологию производства портландцемента. Такие мер­гели, в которых содержание СаСО₃ соответствует со­ставу портландцементной сырьевой смеси, называют на­туральными. По физическим свойствам мергели могут резко отличаться: одни имеют плотную структуру и вы­сокую прочность, другие-мягкие, рыхлые.

Глинистые породы- второй основной компонент портландцементных сырьевых смесей -представляют собой осадочные землистые породы, сложенные из тон­ких частиц (менее 0,001 мм). Основой глин являются водные алюмосиликатные минералы. Глинистые породы подразделяют на группу каолинитов с преобладанием минерала каолинита А1₂О₃*2SiО₂*2H₂O; группу монтмо­риллонитов, включающую минералы: монтмориллонит А1₂О₃*4SiO_2*Н₂О+nН₂О, бейделит Al₂0₃-3SiO₂-nH₂O, нонтронит (Al,Fe)₂O₃*3SiO₂-nH₂O; группу глинистых гидрослюд-минералов, близких по составу и структу­ре к монтмориллонитам, однако в состав этой группы входят до 4-10% щелочных ионов. Характерный признак кристаллических решеток всех глинистых минералов-слоистое строение. Внутри сло­ев между ионами существует прочная ионная и ковалентная связь, а между ионами пакетов-слабая связь за счет остаточных сил. Это обусловливает способность глин расщепляться на тонкие частицы, самопроизволь­но диспергироваться в воде, набухать, поглощая между пакетами молекулы воды.

Глинистое сырье имеет разнообразный минералоги­ческий и гранулометрический состав даже в пределах одного месторождения. Химический состав легкоплав­ких глин характеризуется наличием трех оксидов (% по массе): SiO₂ (60-80%), А1₂О₃ (5-20%) и Fe₂O₃ (3-15%). В не­больших количествах в глинах могут содержаться СаО и MgO в виде углекислых солей. Присутствуют и рас­творимые соли, содержащие Na₂O и К₂О. Эти примеси, а также MgO нежелательны. Их содержание в глинах должно быть по возможности минимальным. При обжи­ге труднее всего вступают во взаимодействие крупно­кристаллический кварцевый песок, крупные частицы по­левых шпатов и слюд. В связи с этим количество круп­ных фракций более 0,2 мм не должно превышать 10%. Глинистые породы существенно отличаются по структуре и физическим свойствам. Основная их разно­видность глина- осадочная горная порода, образую­щая с водой пластичное тесто и сохраняющая после •высыхания приданную ему форму. Глина содержит не менее 50 % частиц размером меньше 0,01 мм, в том чис­ле не менее 25-30 % частиц меньше 0,001 мм. Плот­ность глины 1,7-2,1 т/м³, естественная влажность 10-30%.

Наряду с глиной в цементной промышленности ис­пользуют суглинки, лесс, глинистый сланец. Суглинки- глинистые породы, содержащие повышенное количество кварца. Они включают 30-40% частиц менее 0,01 мм, в том числе 10-30% частиц менее 0,001 мм. Плотность суглинков 1,7-2,1 т/м³, влажность 7-24%. Лесс- зем­листая малопластичная порода, сложенная из слюд, каолинита, полевых шпатов, кальцита, кварца. Она со­стоит из относительно крупных частиц размером 0,05-0,01 мм. Ее плотность 1,4-1,85 т/м³, влажность 3-14%. Глинистый сланец- продукт перекристаллизации глин, твердая камнеподобная слоистая глинистая поро­да. Ее плотность 2,1-2,4 т/м³, влажность 2-12%. Глинистый сланец в отличие от других глинистых пород в воде не распускается. Различная реакционная способность глинистого сырья обусловлена особенностями дисперсности, строе­ния и наличием примесей. Наиболее реакционноспособны мергели, бентонит; менее активно вступают во взаи­модействие с СаО лесс, сланец.

Пригодность карбонатного и глинистого компонен­тов сырьевой смеси определяется по их химическому составу и физическим свойствам и может быть выявле­на только в их взаимосвязи. Поэтому при анализе при­годности сырьевой базы необходимо иметь конкретную характеристику всех компонентов сырьевой смеси. Тре­бования, разработанные проектными институтами, же­стко нормируют возможное содержание MgO, SO_3, Na₂O+K₂O и P₂О₅ в карбонатных породах в зависимо­сти от наличия соответствующих оксидов в глинистом сырье и содержания СаО в карбонатном компоненте.

Корректирующие добавки.Только при особо благо­приятном химическом составе сырьевых материалов портландцементная сырьевая смесь заданного состава может быть приготовлена из двух компонентов: кар­бонатного и глинистого. В большинстве случаев требуе­мую смесь из двух компонентов получить практически не удается, и поэтому применяют третий или даже чет­вертый компонент - корректирующие добавки, содер­жащие значительное количество одного из оксидов, не­достающих в сырьевой смеси. В качестве железистых добавок обычно используют пиритные огарки с серно­кислотных заводов, реже - колошниковую пыль домен­ных печей. Глиноземистыми добавками являются бога­тые глиноземом маложелезистые глины, боксит. Крем­неземистыми добавками являются кварцевые пески, опока, трепел. Содержание оксидов в корректирующих добавках должно быть: железистых Fe2O₃ не менее 40%; кремнеземистых SiO₂ не менее 70%; глиноземи­стых А1₂О₃ не менее 30%. Железистые добавки приме­няют на большинстве цементных заводов, кремнеземис­тые добавки значительно реже, а глиноземистые-только в единичных случаях при использовании в каче­стве сырьевого компонента белитового шлама.

Побочные продукты и отходы других отраслей про­мышленности, используемые в качестве сырья в цемент­ном производстве.Ряд побочных продуктов других от­раслей промышленности достаточно близок по хими­ческому составу цементной сырьевой смеси. Они могут заменять в ее составе глинистый и частично карбонат­ный компоненты. Как правило, такие побочные продук­ты проходят тепловую обработку в основном производ­стве, не содержат СаСО₃ и могут даже включать ряд клинкерных минералов. Поэтому введение их в состав сырьевых смесей позволяет снизить температуру обжи­га и повысить производительность печей. Наибольшее применение в цементной промышленности нашли домен­ные шлаки, топливные золы, нефелиновый (белитовый) шлам.

Доменные шлакиобразуются при полном расплав­лении в домне исходных компонентов шихты: руды и флюса-в восстановительной среде. Выход доменных шлаков составляет 40-60% массы чугуна. Минерало­гический состав доменных шлаков представлен в основ­ном силикатами и алюмосиликатами кальция.

Топливные золыобразуются при сжигании топлива. Термическое воздействие на неорганическую (мине­ральную) часть топлива приводит к образованию твер­дых зерен различных соединений. Мелкие и легкие час­тицы с удельной поверхностью 150-300 м²/кг уносятся из топки газами. По химическому составу 85-90% зо­лы состоят из оксидов кремния, алюминия, железа, кальция и магния.

Нефелиновый (белитовый) шлам - отход комплекс­ной переработки апатито-нефелиновых пород в глино­зем, соду, поташ. Химический состав шлама (% по мас­се): SiO₂ (26-30%), А1₂О₃ (2,2-6,5%), Fe₂O₃ (2,1-5,5%), СаО (52-59%), MgO (2-2,5%), Na₂O (1-2,5%). Поскольку этот шлам прошел термообработку, он состоит в основном из двух-кальциевого силиката - минерала, входящего в состав цементного клинкера.

Использование в цементной промышленности побоч­ных продуктов и отходов других отраслей - крупный шаг в разработке безотходной технологии, способствую­щий экологической защите и охране окружающей среды. Пригодность промышленных отходов как компонен­та сырьевой смеси в каждом конкретном случае опре­деляется на основании специальных исследований. Их использование связано с рядом сложностей. Молотые шлаки и нефелиновый шлам вызывают загустевание сырьевых цементных шламов, оседание крупных частиц. Повышенное содержание щелочей в нефелиновом шла­ме может вызывать снижение качества цемента.

В конечном счете выбор компонентов сырьевой сме­си и их соотношения определяется заданным составом портландцементного клинкера и содержанием в исход­ном сырье вредных примесей. Требования по ограниче­нию их содержания в сырьевой смеси должны строго соблюдаться. Содержание P₂O₅ в сырьевой смеси не должно превышать 0,3%, ТiO₂ - 1,3%. Содержание MgO, SO₃ и щелочей ограничивается с учетом вида ис­пользуемого топлива. При обжиге на беззольном топ­ливе содержание MgO должно быть не более 3,2%, SO₃ не более 1%, Na₂O + K₂O не более 0,8%, а при обжиге на зольном топливе их содержание должно быть соответственно не более 3,1; 0,8 и 0,7%. Избыток P₂O₅ и TiO₂ вызывает распад алита при высоких тем­пературах. Повышенное содержание щелочей замедляет усвоение СаО в процессе обжига, вызывает образова­ние сваров и колец в печи, снижает стойкость футеров­ки, а при твердении может вызывать разрушение це­ментного камня. Нарушение норм содержания в сырье­вой смеси MgO и SO₃ также может стать причиной воз­никновения напряжений в твердеющем цементном кам­не и его разрушения.