Лес - сырье для производства строительных материалов. Сырье для производства строительных материалов

PAGE 3

Лекция 2 по дисциплине «Строительные материалы» для 1 курса (бакалавриат)

Тема. Сырье для производства строительных материалов. Природные каменные материалы

1. Природная сырьевая база для производства строительных матери а лов.

Сырьем для изготовления всех неорганических строительных материалов (каменных и металлов) являются горные породы.

Строительные материалы из горных пород могут быть получены двумя путями: механической обработкой и химической переработкой (чаще всего обжигом).

Природными каменными материалами в строительстве называют камни, полученные механической обработкой горных пород – дроблением, распиливанием, раскалыванием, фактурной обработкой поверхности. Природные каменные материалы сохраняют структуру горной породы. Некоторые горные породы, разрушенные самой природой, могут представлять собой готовый строительный материал (песок, гравий и др.).

Камнелитные изделия получают плавлением камня с последующей разливкой расплава в формы. Технология каменного литья называется петрургией (слово «петр» означает камень). Петрургию применяют для получения непористых каменных изделий или изделий сложной формы.

Химической переработкой горных пород получают такие распространенные материалы (вяжущие), как известь, цемент, строительный гипс и др. Одна из наиболее доступных для добычи горных пород – глина – с древнейших времен подвергается химической переработке – обжигу. Из глины, как известно, получают кирпич и керамические, в том числе строительные, изделия.

Металлы получают также из горных пород, называемых рудами. Руда – это горная порода, содержащая значительный процент металла. При этом должно быть технологически приемлемо и экономически целесообразно извлекать металл из такой породы. Например, руды, содержащие оксиды железа в свободном состоянии, главное сырье для металлургии. А широко распространенные породы, называемые железомагнезиальные силикаты не применяются для извлечения железа или магния. Металла в них небольшой процент, и извлечь его из породы трудно и дорого.

Основное сырье для органических материалов – нефть и каменный уголь – можно также отнести к горным породам. Из нефти и каменного угля получают битумы и дегти, используемые для кровельных материалов и дорожного строительства. Продукты переработки нефти и каменного угля применяются для получения строительных пластмасс

Древнейший строительный материал органического происхождения – древесина. Механической обработкой древесины получают материалы, сохраняющие ее структуру. Это не только хорошо известные бревна и доски, но и, например, декоративно-отделочный материал – шпон из ценных пород древесины.

2.Вторичные сырьевые ресурсы в производстве строительных матери а лов.

Наряду с природным сырьем в производстве строительных материалов применяют так называемые техногенные отходы. Промышленность выпускает готовой продукции значительно меньше, чем потребляет сырья. Например, для производства 1 т чугуна расходуется 1,5… 2 т сырья. Следовательно, 0,5… 1 т – это отходы производства.

Среди техногенных отходов могут быть газообразные, жидкие и твердые продукты. Многие из них загрязняют воздух и воду. Известно, что улавливанием и нейтрализацией вредных отходов стали заниматься только в связи с бурным развитием промышленности в конце 19 – начале 20 века. Полностью эта проблема до сих пор не решена.

Техногенные отходы, в том числе полученные при очистке промышленных стоков, газовых и пылевых выбросов, могут быть снова использованы как сырье в том же или другом производстве. Из отраслей, потребляющих промышленные отходы, наиболее емкой является промышленность строительных материалов. Установлено, что использование промышленных отходов позволяет покрыть до 40% потребности строительства в сырьевых ресурсах. Применение промышленных отходов позволяет на 10…30% снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья. Кроме того, из промышленных отходов можно создавать новые строительные материалы с высокими технико-экономическими показателями.

Отходы удобно классифицировать по отраслям промышленности.

Шлаки черной металлургии . Среди них наибольшее значение для строительной индустрии имеют доменные шлаки – побочный продукт при выплавке чугуна в доменных печах. В домне, как известно, руда расплавляется. Расплав разделяется на два слоя – металл внизу и шлак сверху. Таким образом, шлак представляет собой плавленый камень. В металлургических районах отвалы затвердевшего шлака занимают много полезной земли (выход шлака около 0,5 тонн на тонну чугуна). Строительная индустрия потребляет как монолитный шлак после дробления в щебень, так и специально подготовленный гранулированный шлак. Простейший способ грануляции – сухой: тонкая струя расплавленного шлака льется с большой высоты, разделяясь при этом на капли, которые, застывая, и образуют гранулы шлака. Существуют также мокрый и полусухой способы грануляции. Цель грануляции – получить незакристаллизованный (аморфный, стекловидный) камень, химически более активный, чем закристаллизовавшийся в отвалах шлак. Гранулы растирают в порошок и применяют в производстве цемента. Щебень, полученный дроблением отвального шлака, применяют как заполнитель для бетона. Для легкого бетона изготовляют шлаковую пемзу – поризованный шлак. Сущность изготовления шлаковой пемзы состоит в том, что расплавленный шлак с температурой около 1300ºС обрабатывается холодной водой. Благодаря мгновенному испарению воды и связанному с этим быстрому остыванию шлака вязкость последнего возрастает. Пузырьки пара не могут преодолеть пластически вязкое состояние расплава, застревают в нем и вспучивают его. В результате образуется легкий пористый материал, напоминающий природную пемзу.

Шламы – общее название осадков суспензий, получаемых в металлургических и химических производствах при жидкостной обработке различных материалов. Например, из нефелина при получении из него глинозема (Al 2 O 3 ) получается шлам, содержащий – белит Ca 2 SiO 4 . Белит входит в состав портландцемента, поэтому белитовый шлам используют в производстве вяжущих. при вымывании из глины алюминия с помощью кислотной обработки получается шлам, богатый SiO 2 (сиштоф), который также используют как добавку к цементам.

Приведенные примеры шламов – это отходы цветной гидрометаллургии. Шламы образуются и во многих других производствах. Например, в целлюлозно-бумажной промышленности при механической очистке сточных вод образуются шламы, содержащие волокна целлюлозы и частицы каолина, которые также могут быть использованы в производстве строительных материалов. При обогащении руд методом флотации также образуются шламы (флотационные хвосты), которые содержат так называемую «пустую» породу (название в отличие от концентрата, который после обогащения содержит много металла). Для строителей «пустая» порода» – это измельченный камень, который может быть использован в производстве безобжиговых материалов.

Золы и шлаки тепловых электростанций (ТЭС) – минеральный остаток от сжигания твердого топлива. Одна ТЭС средней мощности выбрасывает в отвалы около 1 млн тонн зол и шлаков в год. Топливные золы и шлаки содержат все связанные или свободные оксиды, которые присутствуют в строительных каменных материалах. Поэтому они могут использоваться при производстве практически всех строительных материалов и изделий.

Вскрышные породы – отходы добычи различных полезных ископаемых открытым способом (в карьерах). Это, как считают до 3 млрд тонн в год (на всю страну) все тех же камней, т.е. по существу неисчерпаемый источник для промышленности строительных материалов.

Отходы древесины , образующиеся на лесосеках, на лесопилках, при производстве мебели, т.е. при механической обработке древесины, составляют в год около 500 млн м 3 . Из этого огромного количества отходов используется в промышленности строительных материалов (а также в целюлозно-бумажной промышленности) всего 1/6 часть. Для производства строительных материалов используют щепу, стружку, опилки. Крупные отходы лесопиления (горбыль, например) и дровяное долготьё с лесосек измельчают и применяют как наполнитель в ДСП, ДВП, ЦСП, арболите и других материалах на вяжущих.

Здесь перечислены лишь некоторые виды отходов, применяемые в производстве СМ. Использование техногенных отходов – неотъемлемая черта всех ресурсосберегающих технологий. При использовании отходов, как правило, улучшается экология за счет уменьшения отвалов, свалок, вредных выбросов сточных вод и газов.

Все последующие лекции, кроме металлов, адаптировались к первому курсу только в процессе чтения. Материалы из первой главы нашего учебника (Андреев и др. Материаловедение) здесь не повторяются.

Расходы на строительные материалы, изделия и конструкции составляют 50-70% от стоимости строительства. Поэтому так важно знать, как минимизировать расходы на них. Это можно сделать за счет применения современных ресурсо- и энергосберегающих технологий, местного сырья, отходов промышленности. При этом от материалов, изделий и конструкций требуется обеспечение требуемого качества.

Строительные материалы - природные и искусственные материалы и изделия, используемые при строительстве и ремонте зданий и сооружений. Различают строительные материалы общего и специального назначений.

В качестве классификационных признаков выбирают: производственное назначение строительных материалов, вид исходного сырья, основной показатель качества, например их масса, прочность, и другие. В настоящее время в классификации учитывают также и функциональное назначение, например теплоизоляционные материалы, акустические материалы и другие в дополнение к делению на группы по признаку сырья - керамические, полимерные, металлические и т. п. Одна часть материалов, объединенных в группы, относится к природным, а другая их часть - к искусственным.

Каждой группе материалов или отдельным их представителям в промышленности соответствуют определенные отрасли, например цементной промышленности, стекольной промышленности и т. п., а планомерное развитие этих отраслей обеспечивает выполнение планов строительства объектов.

Природные , или естественные, строительные материалы и изделия получают непосредственно из недр земли или путем переработки лесных массивов в «деловой лес». Этим материалам придают определенную форму и рациональные размеры, но не изменяют их внутреннего строения, состава, например химического. Чаще других из природных используются лесные (древесные) и каменные материалы и изделия. Кроме них в готовом виде или при простой обработке можно получить битум и асфальт, озокерит, казеин, кир, некоторые продукты растительного происхождения, например солому, камыш, костру, торф, лузгу и др., или животного мира, например шерсть, коллаген, боннскую кровь и др. Все эти природные продукты в сравнительно небольших количествах тоже используют в строительстве, хотя главными остаются лесные и природные каменные материалы и изделия.

Искусственные строительные материалы и изделия производят в основном из природных сырьевых материалов, реже - из побочных продуктов промышленности, сельского хозяйства или сырья, получаемого искусственным путем. Вырабатываемые строительные материалы отличаются от исходного природного сырья как по строению, так и по химическому составу, что связано с коренной переработкой сырья в заводских условиях с привлечением для этой цели специального оборудования и энергетических затрат. В заводской переработке участвует органическое (дерево, нефть, газ и др.) и неорганическое (минералы, камень, руды, шлаки и др.) сырье, что позволяет получать многообразный ассортимент материалов, употребляемых в строительстве. Между отдельными видами материалов имеются большие различия в составах, внутреннем строении и качестве, но они и взаимосвязаны как элементы единой материальной системы.

Сырье для производства строительных материалов. Виды сырья

Природное сырье (полезные ископаемые)

Сырье – это исходные вещества или смеси, которые
перерабатываются в строительные материалы или
изделия.

Основными сырьевыми материалами для производства
строительных материалов являются природные материалы.

Природное неорганическое сырье (нерудные полезные ископаемые)

К этому виду относятся широко распространенные
в природе горные породы, обладающие
необходимым химическим и минеральным
составом, многими благоприятными физикохимическими свойствами и привлекательным
внешним видом.

Горная
порода
Химический
состав
Применение
Песок
Кремнезем (SiO2)
Заполнитель в бетонах,
растворах
Сырье для получения
стеклянных сплавов
Глина
Алюмосиликаты (SiO2,
Al2O3)
Один из сырьевых
компонентов для
получения ПЦ клинкера
Сырье для получения
керамических
изделий
Гранит и другие
изверженные
породы
Силикаты и
алюмосиликаты
Дробленые горные
породы (щебень,
песок)
Сырье для
заполнителей бетона
и раствора
Диабаз
Силикаты и
алюмосиликаты
Щебень
Сырье для получения
каменных расплавов
Известняк
Карбонат кальция
(СаСО3)
Один из сырьевых
компонентов для
получения ПЦ клинкера
Сырье для получения
воздушной извести
Мрамор
Карбонат кальция
(СаСО3)
Декоративный щебень,
песок
Сырье для
декоративных бетонов
и растворов
Гипсовый камень
Двуводный сульфат
кальция
(СаSО4·2H2O)
Отделочные плитки
Сырье для получения
гипсовых вяжущизх

Природное органическое сырье

Древесина различных пород:
-лесоматериалы (бревна);
-пиломатериалы (брус, доски);
-изделия из древесины (доски для
пола, плинтусы, оконные и
дверные блоки, паркет)
-древесные изделия (фанера,
ДСП и ДВП, древесно-слоистые
пластики
-клееные деревянные
конструкции
Нефть, газ, уголь, торф:
-органические вяжущие для
асфальтобетона, основной компонент
кровельных и гидроизоляционных
материалов;
-полимеры (связующие для пластмасс),
линолеумы, стеклопластики;
-компонент композиционных материалов;
-полимерцементных бетонов;
-модифицирующие добавки для
строительных смесей;
-основа для лаков и красок;

Экологические проблемы при производстве строительных материалов.

Использование отходов производства.

Некоторые из экологических задач:
максимально полное использование природного
сырья и отходов, образующихся при его добыче и
переработке.
утилизация отходов других отраслей промышленности.

Отходы добычи и переработки горных
пород:
Из них можно получить
Отходы распиловки и обработки
поверхности
Декоративные плиты из кусков мраморных
и гранитных плит (типа «брекчия»)
Отходы производства щебня:
Дробление на заполнители;
рассев с получением искусственного
песка (размеры частиц от 0,16 до 5 мм)
(частицы с размером 5-70 мм)
Помол с получением каменной муки
(наполнитель асфальтобетонов, мастик,
пластмасс)
Отходы обработки древесины:
Стружка, щепа, неделовая древесина
ДСП, ДВП, фибролит, арболит
Опилки
Наполнитель в пластмассах,
гипсобетонных изделиях
Отходы теплоэнергетики:
Золы
Добавки в бетонные и растворные смеси;
Компонент сырьевой смеси для
производства клинкера;
Шлаки
Заполнители;
Активная минеральная добавка в составе
цемента;

10. Использование отходов имеет не только экологическую, но и экономическую стороны:

в тех регионах, где нет или недостаточно природного сырья,
расширяется сырьевая база производства строительных
материалов;
снижается стоимость строительных материалов, так как
исключаются или уменьшаются затраты на транспортирование
природного сырья из других регионов;
решается проблема утилизации промышленных отходов,
исключается необходимость устройства полигонов для их
хранения.

11. Проблемы загрязнения окружающей среды

Источники загрязнения
Сырье (отходы)
Технология
Тяжелые металлы
Аэрозоли
Радиоактивность
Радиоактивность
Пыль
(кремнезем)
Вымывание
тяжелых
металлов
Газы
Готовый продукт
Выделение
фенола,
формальдегида

12. Основные принципы производства

Цель любой технологии – получение материала или изделия определенной
формы, определенных размеров с заданными стабильными (постоянными)
свойствами.
Сырье → переработка → Готовый материал (изделие)
Механические технологии – в процессе переработки исходного сырья не
изменяются его состав, строение, свойства; изменяются форма, размеры,
состояние поверхности (фактура) (эти технологии используются для
получения изделий из природных каменных материалов, из древесины);
Физико-химические технологии – при изготовлении строительных материалов
или изделий под действием технологических факторов (температуры,
давления) происходят различные физико-химические процессы, в результате
которых изменяются состав, строение и свойства сырьевых материалов

К атегория: Выбор стройматериалов

Сырьевая база строительных материалов

Общие сведения. Потребность в строительных материалах в нашей стране велика и достигает десятков и сотен миллионов тонн. Для производства такого большого количества строительных материалов нужна широкая сырьевая база. Большую часть строительных материалов получают из минерального каменного сырья, которым являются горные породы.

Органические строительные материалы получают преработкой древесины, нефти, каменного и бурого угля и других органических природных материалов. Из древесины получают не только пиломатериалы; она служит сырьем для изготовления древесностружечных и древесноволокнистых плит. Путем химической модификации древесины получают полимерные материалы (например, нитроцеллюлозу). Нефть и уголь служат сырьем для получения битумов, дегтей и большинства синтетических полимеров.

Горные породы - крупные природные скопления минералов более или менее постоянного минералогического и химического состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Горная порода может, быть сложена из одного минерала (мономинеральная порода) или нескольких (полиминеральная). Так, например, гранит состоит из трех минералов: полевых шпатов, кварца и слюды, а известняк - только из одного кальцита. Процентное содержание минералов в горной породе определяет ее состав. Форма, размеры и взаимное расположение минера- , лов определяют ее структуру. Минералогический состав и структура, в свою очередь, определяют свойства горной породы.

Минерал - природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в глубинах и на поверхности Земли. Минералы в основном кристаллические или аморфные тела. К ним относятся: самородные металлы; сера; графит; оксиды - кварц Si02, корунд А1203 И гидроксиды; соли различных кислот - хлориды (каменная соль), сульфаты (гипс), карбонаты (кальцит) и наиболее распространенные в природе сложные соединения - силикаты и алюмосиликаты различных металлов (полевые шпаты, слюды, асбест).

По происхождению выделяют магматические (изверженные), осадочные и метаморфические (видоизмененные) горные породы.

Изверженные горные породы образовались при охлаждении магмы. В зависимости от условий охлаждения их делят на глубинные и излившиеся.

Глубинные изверженные породы образовались в толще земли. Остывание магмы шло медленно и под большим давлением, поэтому эти породы имеют плотное крупнокристаллическое строение. Предел прочности при сжатии глубинных пород достигает 500. . .1000 МПа, плотность более 2500 кг/м8. Они хорошо поддаются шлифованию и полированию. Их применяют в виде плит и других изделий для облицовки фасадов зданий и сооружений, настилки полов в общественных зданиях, в дробленом виде - для декоративных штукатурок и мозаичных работ. Наиболее распространены в строительстве гранит, сиенит, габбро, лабрадорит.

Излившиеся изверженные породы образовались при остывании магмы у поверхности. Быстрое остывание приводит к стекловидной слабозакристаллизованной структуре камня; за счет газов, выделяющихся из магмы, возможно образование пор в породе. Плотные излившиеся породы: базальт, порфир, диабаз характеризуются сильными колебаниями в прочности и относительно плохо шлифуются. Поэтому смешивать крошку этих пород с крошкой глубинных пород для мозаичных полов не рекомендуется.

Из пористых излившихся горных пород применяют обломочные кусковые - пемзу, вулканический пепел и сцементированные - вулканический туф желтого, розового, красного, фиолетового и других цветов. Прочный и долговечный вулканический туф широко используют для изготовления облицовочных плит и в качестве декоративной крошки.

Осадочные горные породы образуются при разрушении других горных пород под действием природных сил. В зависимости от условий образования различают механические, химические и биогенные отложения.

Механические осадочные породы могут быть рыхлыми (песок, глина, гравий) и сцементированными (песчаники, природная брекчия). Для изготовления декоративной крошки и облицовочных плит используют прочную разновидность песчаника - кремнистый песчаник, прочностью более 100 МПа, в котором частицы песка сцементированы кремнеземистым вяжущим.

Осадочные породы химического происхождения образовались в результате выпадения солей из водных растворов (например, карбонатов кальция и магния, сульфата кальция). К таким породам относятся магнезит и доломит, гипс, ангидрит, известковые туфы (среди последних для отделки применяют травертин).

Биогенные осадочные породы образовались в результате жизнедеятельности и вымирания организмов, живших в морских и пресных водах. В отделочных работах из этих пород применяют известняки, ракушечники, мел, диатомиты, трепел и опоки.

Известняки - наиболее распространенная осадочная порода, состоящая главным образом из кальцита, часто с примесью доломита, глинистых и песчаных частиц; нередко содержат остатки известковых скелетов ископаемых организмов. Неуплотненные крупнопористые известняки называются известняки-ракушечники. Плотный известняк имеет плотность 2000…2500 кг/м3. Предел прочности зависит от плотности и колеблется в широких пределах- 5…100 и более МПа. Цвет известняков - белый или слегка окрашенный в желтоватый, кремовый или сероватый оттенки. Известняки применяют как щебень для бетона, как строительный камень (бутовый или тесаный камень для фундаментов и стен неотапливаемых помещений), как сырье для получения извести и цемента. Из него выпиливают облицовочные плиты и фигурные детали. Тонко измельченный известняк - известняковая мука - служит наполнителем в битумных и полимерных материалах. Благодаря невысокой твердости (около 3) известняк легко обрабатывается и механизированным и ручным инструментом.

Мел - тонкозернистая, мягкая, белая порода, состоящая из мелких обломков и целых известковых скелетов микроорганизмов. Используют как белый пигмент и напол нитель для мастик и пластмасс.

Диатомит - рыхлая или слабосцементированная кремнистая порода, состоящая преимущественно из панцирей диатомовых водорослей. Трепел - тонкопористая мягкая осадочная порода, состоящая из микроскопических зерен опалового кремнезема, аналогичная диатомиту, но почти лишенная органических остатков. Плотность трепелов зависит от степени уплотнения и находится в пределах 300. . .900 кг/м3.

Опока - легкая, твердая, тонкопористая порода, богатая (до 97%) аморфным кремнеземом с примесью песка и глинистых частиц. Благодаря большому содержанию аморфного кремнезема диатомиты, трепелы и опоки широко используют в качестве активных минеральных добавок к неорганическим вяжущим материалам.

Метаморфические горные породы образовались из осадочных или изверженных пород под воздействием высоких температур и давлений, при этом менялась структура породы без изменения ее химического состава.

Происходило это тогда, когда породы в результате горообразовательных процессов перемещались с поверхности вглубь земной коры. Из метаморфических горных пород в отделочных работах чаще всего используют мрамор и кварцит.

Мраморы образовались в результате перекристаллизации и метаморфизма известняков, реже из доломитов; их отличительная черта - кристаллическое строение. Кристаллы мрамора прочно соединены между собой без всякого цементирующего вещества. Предел прочности мрамора при сжатии в среднем около 100 МПа. Различный цвет и специфическая текстура мрамора образовались в результате фильтрации через известняк минерализованных вод и осаждения из них цветных солей. Мрамор легко пилится, хорошо шлифуется и полируется. Недостаток мрамора - слабая коррозионная стойкость: он разрушается атмосферной влагой, содержащей растворенные газы (сернистый, углекислый, сероводород); при этом его поверхность тускнеет и теряет полировку. Поэтому мрамор применяют в основном для облицовки внутренних помещений.

Кроме мраморов в природе встречаются мраморо-видные известняки, в структуре которых крупные кристаллы разделены прослойками плотной известняковой массы. По свойствам они занимают промежуточное положение между известняками и мраморами.

Кварцит - видоизмененные кремнистые песчаники с перекристаллизовавшимися зернами кварца. Очень плотная и твердая горная порода (твердость около 7). Предел прочности при сжатии более 200…400 МПа. Чистый кварцит белого цвета; примеси могут окрашивать его в красный, фиолетовый и темно-вишневый цвета.

Сырьевая база строительных материалов