Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ
ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО
СТЕКЛА 15
1.1 Представления о природе, полимерном строении и
составе жидких стекол 15
1.2 Процессы структур о образования в системах на
основе водных растворов щелочных силикатов 19
1.3 Технологии получения композитов на основе жидкого
стекла, их преимущества и недостатки 22
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ 33
2.1 Требования, предъявляемые к теплоизоляционным
композитам на основе жидкого стекла 33
Характеристика и требования к сырьевым компонентам. 34
Методы исследований 38 ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ЩЕЛОЧНЫХ СИЛИКАТОВ НА СВОЙСТВА КОМПОЗИТОВ 39
Исследование состава щелочных силикатов 39
Исследование механизма структурообразования. 48
Научные предпосылки получения теплоизоляционных
изделий на основе жидкого стекла 56
Выводы по третьей главе 60
ГЛАВА 4 ПОДБОР СОСТАВА И ТЕХНОЛОГИЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО
МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО СТЕКЛА 62
4.1 Подбор состава композиции для изготовления
теплоизоляционного материала 62
Методика расчета оптимального состава 73
Принципиальная технологическая схема производства пеносиликатного материала 75 Выводы по четвертой главе 78 ГЛАВА 5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОЛУЧЕНИЮ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОПАЛОВЫХ
ПОРОД И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ 80
5.1 Рекомендации по получению теплоизоляционных материалов
на основе жидкого стекла из опаловых пород 80
5.2 Опытно-промышленные испытания 83
5.3. Калькуляция сметной стоимости производства теплоизоляционного
материала на основе опаловых пород 84
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 89
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 91
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 103
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 104
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 111
Введение к работе
Нормативные значения термического сопротивления ограждений в отечественной строительной практике последнего десятилетия изменились незначительно, тогда как в европейских зарубежных странах в конце 70-х, начале 80-х годов они существенно возросли и в настоящее время в 2-3 раза выше отечественных. Вновь построенные здания в средней полосе России требуют на нужды отопления в среднем на 1м2 площади около 500 кВт ч, в Германии - 250, в Швеции и Финляндии -135. Существенный резерв экономии топлива должны обеспечить широкомасштабные работы по реконструкции и модернизации морально и физически устаревших жилых зданий. При их обновлении одновременно должны утепляться наружные стены.
При повышенных требованиях к теплозащите ограждающих конструкций использование традиционных стеновых материалов, таких как кирпич, легкий бетон и подобные им материалы, становится экономически нецелесообразным. Требуются конструкции, создаваемые с использованием высокоэффективных долговечных теплоизоляционных материалов. Опыт стран Западной и особенно Северной Европы и США подтверждает целесообразность таких решений.
Остро проблема снижения тепловых потерь стоит в таких районах, как Сибирь, и особенно Крайний Север, где разница между температурами внутри помещения и снаружи достигает порой 60-70С. Такой градиент температур вызывает усиление теплового потока через ограждающие конструкции в окружающую среду. Чтобы скомпенсировать потери тепла необходимо либо усилить отопление зданий, что удорожает их эксплуатацию, либо применять высокоэффективные теплоизоляционные материалы. Наиболее эффективно последнее, так как в этом случае ежегодно экономится до 17% топлива, расходуемого на обогрев зданий, которое, зачастую, завозится только в период навигации. Кроме того, применение высокоэффективных теплоизоляционных материалов позволяет существенно
снизить материалоемкость и стоимость строительства. А использование готовых конструктивных элементов ограждающих конструкций, состоящих из двух плотных слоев с уложенной между ними теплоизоляцией позволяет сократить сроки монтажа зданий и сооружений и повысить степень их индустриализации. Наукой накоплен определенный потенциал в деле создания новых видов эффективных материалов, расширения номенклатуры изделий на основе существующих и совершенствования технологических процессов и оборудования. В институтах и научных организациях страны разрабатывались новые принципы получения волокон из расплава, новая рецептура шихт, новые виды плавильных агрегатов, получены негорючие изделия из неволокнистых материалов с использованием нетрадиционных связующих, предложены эффективные ячеистые бетоны и многое другое.
Потребность в строительных теплоизоляционных материалах и обеспечение снижения их стоимости решается путем расширения материально-сырьевой базы за счет использования местных природных ресурсов и замены дорогостоящих компонентов менее дорогим сырьем.
Спектр применяемых материалов для создания теплоизоляции довольно широк. Все их можно разделить по структуре на ячеистые, волокнистые и зернистые. Все они, в зависимости от структуры, обладают различными коэффициентами теплопроводности и потому, для получения необходимого сопротивления теплопередаче, их укладывают слоями различной толщины. В зависимости от характеристик теплоизоляционных материалов, их применяют в виде плит или блоков, способных нести нагрузку, в виде заполнителя в смеси с различными вяжущими, в виде гибких покровов или в виде теплоизоляционных вкладышей и засыпок.
Теплопроводность теплоизоляционных материалов складывается из двух величин: конвективной теплопроводности газа, входящего в состав материала, и теплопроводности твердого вещества. В случае использования зернистых теплоизоляционных материалов большие потери тепла обуславливаются конвекцией, возникающей в пространстве между отдельными гранулами материала. Примерно такая же картина наблюдается
б и в волокнистых теплоизоляционных материалах, но тут конвекция
затруднена из-за значительно меньших расстояний между волокнами
материала. Минимальный конвективный теплоперенос наблюдается в
ячеистых теплоизоляционных материалах с замкнутыми порами
минимального размера, так как замкнутые поры исключают потери тепла,
связанные с газопроницаемостью, а минимальный размер пор препятствует
образованию значительного конвективного теплопереноса внутри поры. К
материалам ячеистой структуры относятся газо- и пенобетоны, газо-,
пеносиликаты, пеностекло, пенопласты и другие материалы аналогичного
строения. Наряду с низкой теплопроводностью у каждого материала есть
свои, свойственные ему, недостатки. Так для производства ограждающих
конструкций, способных нести нагрузку, используют газо- и пенобетоны на
цементном и известковом вяжущих автоклавного и неавтоклавного
твердения. Изделия из этих материалов изготавливаются по литьевой или
резательной технологии. Литьевая технология предполагает заливку в
подготовленную форму вспененной массы, в случае пенобетона, или бетона,
содержащего с своем составе газообразов атель, который в результате
химической реакции выделяет газ, пузырьки которого и создают пористую
структуру. Данные виды бетонов не содержат в своем составе крупного
заполнителя, а в качестве мелкого используется молотый песок, так как
применение обычного песка способствует разрушению структуры. По
резательной технологии бетон заливается в форму не в виде конструктивного
элемента, а в виде блока, который потом распиливается струнами на
отдельные элементы. Для достижения необходимой прочности бетоны
безавтоклавного твердения требуют значительных расходов вяжущего,
порядка 500 кг/м3, в то время, как применение автоклавов значительно
усложняет технологию производства ячеистых бетонов, кроме того, при
производстве газобетонов и газосиликатов, из-за применения
газообразователя, не удается достичь плотности ниже 600 кг/м3.
Использование пены позволяет снизить эту границу, но вызывает еще
больший расход дорогостоящего вяжущего.
Помимо ячеистых бетонов промышленностью выпускаются различные виды пористых кусковых или гранулированных материалов. Особенно широкое распространение получил керамзит, представляющий собой вспученные при температуре около 1300С гранулы глины. Керамзит используют в производстве легких бетонов в качестве крупного и мелкого заполнителя, а так же в качестве теплоизоляционных засыпок. Так же из глин получают пористую керамику посредством введения выгорающих добавок. По такому способу можно получать как пористые гранулы, так и готовые пористые изделия. В качестве выгорающих добавок применяют органические вещества, которые выгорая, образуют пустоты. Также поризация возможна при применении веществ, подвергающихся термическому разложению с выделением газообразных продуктов. По этому способу изготавливают пеностекло, в процессе получения которого молотое стекло смешивают с органическими добавками, в основном углем, или с нитратами щелочных металлов. Полученную шихту нагревают до температуры плавления стекла, при этом добавки разлагаются и образующиеся газы вспенивают массу стекла, находящуюся в вязко-пластичном состоянии. Вместо выгорающих добавок можно использовать пену, при этом молотые глина или стекло смешиваются с готовой пеной, смесь высушивается в формах и после чего происходит закрепление структуры высокотемпературной обработкой, вызывающей сплавление частиц. По данной технологии получают пеностекло, а также пенодиатомитовые изделия.
Несмотря на то, что в этих случаях материалы получаются более поризованными, чем газо- и пенобетоны, технология их изготовления включает сложные стадии подготовки сырья и шихты, а так же энергоемкие процессы сушки и обжига, которые значительно удорожают получаемый теплоизоляционный материал.
Кроме того в природе существуют соединения, содержащие в своем составе кристаллизационно-связанную воду, которая может быть удалена из них в результате нагрева, вызывая при этом увеличение материала в объеме за счет давления образующегося водяного пара. По этому принципу
изготавливаются перлит, вермикулит, силипор и стеклопор, но дефицитность сырья обуславливает их малую степень распространения. При омоноличивании этих материалов любыми вяжущими получают теплоизоляционные изделия желаемой формы, а также используют их в качестве теплоизоляционных засыпок. Однако, засыпки обладают недостатком - необходимостью устраивать защитные ограждения, препятствующие потере гранул материала, чего лишены омоноличенные материалы.
Помимо ячеистых теплоизоляционных материалов большое распространение получили волокнистые, в частности минеральная вата. Она получается путем вытягивания из расплава через фильеру тонких нитей, отвердевающих на воздухе. Маты, состоящие из таких нитей, прошиваются проволокой и используются в качестве рулонной теплоизоляции. Сейчас вместо проволоки используют полимерные смолы, так как минеральная вата не связанная смолой, при устройстве вертикальной изоляции, постепенно сползает вниз, чем обусловлена невозможность применения ее не только в качестве несущего, но и самонесущего элемента. Кроме того у минеральной ваты есть существенный недостаток - водопоглощение, достигающее 600 %, обусловленное способностью удерживать воду в межволоконных пространствах, сводящий на нет все ее достоинства как теплоизоляционного материала.
В настоящее время все большее распространение в качестве теплоизоляторов получают газонаполненные пластмассы - двухфазные системы, состоящие из полимерной матрицы и относительно равномерно диспергированной газовой фазы. В зависимости от значений модуля упругости полимерные пеноматериалы подразделяют на жесткие, полужесткие и эластичные. К жестким материалам, наиболее широко используемым для строительной теплоизоляции, относятся газонаполненные пластмассы, имеющие предел прочности при сжатии при 50% -ной деформации более 0,15 МПа, эластичные - менее 0,01 МПа, полужесткие занимают промежуточное положение.
Газонаполненные пластмассы можно классифицировать также по следующим основным признакам: физической структуре; природе и химическому строению полимеров, составляющих основу материала; технологии; функциональному назначению. По физической структуре газонаполненные пластмассы разделяются на ряд групп, среди которых наибольший интерес для теплоизоляции представляют пенистые или ячеистые пластмассы (пенопласты), пористые пластмассы (поропласты); сотовые пластмассы (сотопласты).
Пенопласты характеризуются несообщающейся ячеистой
структурой, образовавшейся в результате вспенивания исходной композиции. Поропласты отличаются сообщающейся пористостью, в результате чего материал является газопроницаемым. Однако практически газонаполненные пластмассы характеризуются смешанной структурой, так как не удается получить материал только с замкнутыми или открытыми ячейками, по этому такое деление газонаполненных пластмасс условно.
Тип структуры газонаполненных пластмасс обусловлен комплексом факторов, главные из которых - вид и химическое строение полимера, вид порообразователя, технология получения пеноматериала. Характер пористой структуры решающим образом влияет на основные свойства пенопластов: прочность, водопоглощение, теплопроводность, эксплуатационную стойкость и другие.
Природа исходных полимеров в значительной степени обуславливает технологию их переработки в пенопласты. Пенопласты составляют две группы материалов, отличающиеся способом получения: прессовые пенопласты, изготавливаемые в условиях обжатия извне, и беспрессовые пенопласты, образующиеся без внешнего давления. В свою очередь, беспрессовые пенопласты можно подразделить на следующие основные группы: а) заливочные пенопласты, получаемые вспениванием жидких исходных композиций газами, выделяющимися из массы (например, пенополиуретан); б) пенопласты, получаемые вспениванием водных растворов, эмульсий или суспензий полимеров путем механического
диспергирования газа и отверждения композиции (мочевино-формальдегидные пенопласты); в) пенопласты, получаемые омоноличиванием предварительно вспененного гранулированного полимера (пенополистирол); г) пенопласты, образующиеся при вспенивании твердых смоляных композиций с помощью газообразователей (пенопласты на основе твердых новолачных фенолформальдегидных смол).
В настоящее время в практике строительства широкое распространение получают композиционные пенопласты, в состав которых входят различные зернистые минеральные пористые наполнители; эти материалы выделяют в самостоятельную группу - группу наполненных пенопластов. Специфические особенности газонаполненных пластмасс определяют техническую направленность и экономическую эффективность их применения в различных отраслях промышленности. Благодаря низкой плотности, высоким тепло- и звукоизоляционным свойствам, повышенной удельной прочности, а также ряду ценных технологических и эксплуатационных свойств пенопласты не имеют аналогов среди традиционных строительных материалов.
Однако большинству газонаполненных пластмасс свойственны определенные недостатки, существенно ограничивающие возможность их применения: пониженные огнестойкость, теплостойкость и температуростойкость, а также деструкция с течением времени, сопровождающаяся выделением вредных веществ. Кроме того, высокая себестоимость и ограниченность сырьевой базы обусловливают экономическую целесообразность широкого использования пенопластов в строительной индустрии в основном для теплоизоляции.
Предлагаемый теплоизоляционный материал на основе опаловых пород имеет комплекс существенных преимуществ перед существующими теплоизоляционными материалами: распространенность и низкая стоимость сырья, простая технология производства, низкие энергозатраты, возможность использования в качестве самонесущих элементов, а также негорючесть и биостойкость.
11 Жидкое стекло хорошо тем, что может быть использовано в качестве
недорогого местного вяжущего вещества, способного образовывать
сравнительно прочную структуру, при производстве различных видов
теплоизоляционных материалов. При применении новых технологий
получения растворимых стекол, использующих отходы различных
производств, стоимость его значительно снижается, а, следовательно,
снижается и стоимость изготавливаемых теплоизоляционных материалов.
Эта работа выполнена в рамках Российской научно-исследовательской
программы по разделу «Строительство», тема работы входила в
региональную программу «Строительные материалы на основе местного
сырья».
Цель исследования -
Разработка составов и технологии производства эффективных
теплоизоляционных материалов на основе опалового сырья.
Задачи исследования:
обосновать и экспериментально подтвердить эффективность использования жидкого стекла, получаемого на основе диатомитов, в производстве теплоизоляционных материалов;
определить возможность использования опаловых пород в производстве теплоизоляционных материалов;
определить зависимости влияния расхода компонентов на свойства теплоизоляционного материала;
провести экспериментально-теоретические исследования и выявить механизм структурообразования пеносиликатных композиций;
разработать математическую модель подбора оптимального состава пеносиликатной композиции;
разработать технологию изготовления теплоизоляционных изделий и технологический регламент;
разработать технические условия на теплоизоляционный материал;
определить технико-экономическую эффективность разработанных решений.
Научная новизна работы:
методами определения чисел переноса и измерения электропроводности установлено, что в жидком стекле — водном растворе силиката натрия, полученном из опалового сырья имеющем силикатный модуль менее 2, преимущественно присутствуют однозарядные, а в растворах с силикатным модулем более 2 - двухзарядные силикатные анионы. Наибольшей электропроводностью обладают растворы жидкого стекла с силикатным модулем равным 1,2. начиная со значения силикатного модуля 2,2, электропроводность принимает практически постоянное значение. Растворы жидкого стекла по электрофизическим свойствам занимают промежуточное .. положение между растворами сильных электролитов и полиэлектролитов;
-механизм структурообразования в растворах силиката натрия с рН=6,0 - 10,5 и кислых растворах с рН=2,5 — 6,0 практически одинаков. В интервале значений рН=5,9 — 8,0 процесс структурообразования в растворах жидкого стекла, извлеченного из опаловых пород, не зависит от величины рН. В этом интервале значений рН обеспечивается наиболее плотная упаковка частиц образующихся структур;
-использование в качестве вяжущего жидкого стекла, полученного из опаловых пород, в качестве заполнителя молотого прокаленного диатомита и готовой пены кратностью 10 позволяет получать безобжиговые теплоизоляционные материалы, обладающие огнестойкостью и биостойкостью, имеющие плотность от 75 до 450 кг/м3 и с пределом прочности при сжатии от 0,01 до 0,26 МПа;
-при получении безобжиговых теплоизоляционных материалов на основе опалового сырья оптимальное соотношение жидкого стекла и заполнителя составляет 1:1. оптимальное значение вязкости композиции равно 50 с. по вискозиметру ВЗ-4, при этом обеспечивается минимальный расход пены и высокое качество теплоизоляционного материала.
Практическая значимость работы:
-разработана методика определения оптимального состава жидкостекольнои композиции, позволяющая рассчитать расход компонентов для получения теплоизоляционного материала на основе опаловых пород, обладающего заданной плотностью и прочностью;
-предложены составы теплоизоляционных материалов на основе опаловых пород, удовлетворяющие требованиям ГОСТ и обладающие высокой биостойкостью и огнестойкостью;
-разработана технологическая схема получения теплоизоляционного материала на основе опаловых пород, позволяющая изготавливать изделия безобжиговым способом;
-произведено производственное опробование предложенных материалов и технологии. Изготовлена и прошла промышленные испытания опытная партия продукции объемом 50 м3 на Тюменском предприятии ООО «Терра», в результате чего показана эффективность использованимя предложенного материала.
Автор защищает:
-результаты теоретических и экспериментальных исследований механизма структурообразования жидкого стекла;
-результаты экспериментальных исследований влияния исходных компонентов на физико-механические свойства пеносиликатного материала;
-математическую модель оптимизации состава теплоизоляционного материала на основе диатомитов Западно-Сибирского региона;
-методику расчета оптимального состава теплоизоляционного материала;
-рекомендации по технологии изготовления теплоизоляционного материала на основе жидкого стекла, извлеченного из диатомитов Западно-Сибирского региона.
Реализация результатов исследования.
Опытная партия продукции изготовлена в объеме 50 м и прошла промышленные испытания на Тюменском предприятии ООО «Терра», по
результатам которой установлена эффективность применения данного материала при теплоизоляции ограждающих конструкций.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции «Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» и научно-технических конференциях в Казани и Пензе.
Публикации.
Подана заявка на патент РФ. По теме диссертации опубликовано 9 работ в т.ч. в журналах «Строительные материалы» и «Техника и технология силикатов», «Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов».
