Введение к работе
Актуальность
Реализуемая в последние годы государственная политика повышения энергосбережения и энергоэффективности делает актуальными вопросы улучшения теплозащитных свойств строительных материалов и изделий, в том числе керамического кирпича.
В настоящее время снижение коэффициента теплопроводности керамического кирпича достигается следующими основными способами: повышением пустотности, использованием выгорающих добавок и увеличением размера самого изделия. Однако резервы в этих направлениях практически исчерпаны, поэтому необходимы новые нетрадиционные подходы, например, использование пористого силикатного техногенного сырья.
Известны многочисленные примеры успешного введения в керамическую шихту различных промышленных отходов, в то время как их влияние на теплозащитные характеристики материала с учетом собственной пористости, а также химической и энергетической природы изучено недостаточно и содержит определенный резерв.
В этой связи исследования, направленные на снижение теплопроводности керамического кирпича за счет привлечения пористых силикатсодержащих техногенных компонентов, являются актуальными, т.к. позволяют комплексно решить вопросы ресурсо- и энергосбережения, охраны окружающей среды и дефицита отдельных сырьевых материалов.
Цель работы: разработка и исследование составов эффективного керамического кирпича с использованием силикатсодержащего пористого техногенного сырья.
Задачи исследования:
определить критерии оценки и обосновать выбор пористого техногенного сырья для получения эффективного керамического кирпича;
разработать оптимальные составы эффективного керамического кирпича с применением выбранного пористого силикатсодержащего техногенного сырья;
- установить закономерности влияния вводимого силикатсодержащего
пористого техногенного сырья на поровую структуру, коэффициент
теплопроводности и другие физико-механические характеристики
полученного материала.
Научная новизна
1. Впервые разработаны критерии оценки пористого
силикатсодержащего техногенного сырья, учитывающие его поровую структуру, а также энергетическую и химическую природу основных фаз для получения эффективного керамического кирпича.
2. Научно обоснована возможность снижения коэффициента теплопроводности керамического черепка за счет введения в шихту силикатсодержащего техногенного сырья, имеющего собственную пористость с преимущественным размером пор менее 10 мкм, минеральный состав, характеризующийся более высокими значениями мольных масс и более низкими значениями стандартных энтальпий образования основных фаз по сравнению с кварцевым песком, применяемым в качестве отощителя.
-
Показано, что использование дробленого боя пенобетона с размером частиц менее 1 мм вместо кварцевого песка снижает коэффициент теплопроводности материала в два раза по сравнению с составом традиционного кирпича за счет структурно-фазовых превращений, характеризующихся формированием канальной пористости, кристаллизацией анортита, мелилита, волластонита.
-
Впервые выявлены особенности структурно-фазовых изменений, происходящих при обжиге шихты, содержащей кембрийскую глину, гранулированный доменный шлак (ГДШ) и тонкомолотый бой пенобетона с размером частиц менее 0,14 мм. В черепке при обжиге происходит кристаллизация геленита, мервинита, окерманита и формируется комбинированная поровая структура с увеличением до 70 % объема пор размером от 1 до 5 мкм.
-
Определена зависимость снижения коэффициента теплопроводности керамической матрицы с выбранным техногенным сырьем от увеличения доли пор размером от 1 до 5 мкм в суммарном объеме. Достоверность полученных результатов и выводов по работе
обеспечена использованием стандартных методик и современных апробированных методов исследования структуры синтезируемых керамических материалов; применением математических вероятностно-статистических методов обработки результатов; сходимостью экспериментальных данных с теоретическими исследованиями и данными опытно-промышленных испытаний.
Практическая значимость работы:
1. Обосновано эффективное применение пористого силикатсодержащего
техногенного сырья - ГДШ в керамической шихте в качестве отощающей
добавки.
2. Предложено новое направление использования отходов ячеистых
бетонов в составах керамических масс для снижения теплопроводности
материала.
3. Разработан состав керамической шихты на основе кембрийской глины и
отощающей добавки из дробленого пенобетона с размером частиц менее 1
мм для получения эффективного кирпича со светло-бежевым цветом
черепка и сниженным коэффициентом теплопроводности. По
эксплуатационным характеристикам полученный состав удовлетворяет требованиям ГОСТа.
4. Разработан оптимальный состав эффективного керамического кирпича с
использованием тонкомолотого пенобетона (размер частиц менее 0,14 мм)
и ГДШ с пониженным на 20 и более процентов коэффициентом
теплопроводности и светло-бежевым тоном лицевой поверхности.
Полученный материал характеризуется более высокими коэффициентом
конструктивного качества и прочностью при изгибе.
5. Теплотехническими расчетами ограждающих конструкций для
общественных зданий доказана возможность уменьшения толщины
кирпичной кладки с 380 до 250 мм при использовании разработанных
составов с учетом размера кирпича.
6. Расширена сырьевая база для получения эффективного керамического
кирпича за счет техногенного сил икатсо держащего сырья: ГДШ,
находящегося в отвалах; боя ячеистых бетонов, образующегося в виде
брака как на стадии изготовления, так и на этапе утилизации при разборке
зданий и сооружений.
Реализация результатов исследований. Научные и практические результаты работы использовались:
1. При выпуске опытно-промышленных партий разработанных
материалов. На ЗАО ЗСМ «Эталон» (п. Свердлова, 2, Ленинградская обл.)
выпущены опытно-промышленные партии полнотелого кирпича Ml 50 и
пустотелого М125 с пустотностью 38 %; морозостойкостью F50;
водопоглощением 18,7 и 18,5 %, плотностью 1,53 и 1,11 г/см3
соответственно. На ООО «Образъ» (Санкт-Петербург) выпущена опытная
партия декоративного камня для внутренней отделки стен зданий с
коэффициентом теплопроводности к = 0,24 Вт/(м-К). По результатам
апробации получены соответствующие акты.
2. При разработке технических условий ТУ 5741-003-01115840-2009
«Керамический кирпич лицевой».
3. В учебном практикуме для слушателей ФПК ПГУПС в виде учебного
пособия «Свойства отходов и новые геоэкозащнтные технологии с их
испо льзо ванием ».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVII международной интернет-конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2005» (Москва, 2005 г.); на 16-й международной конференции «1BAUSIL» в Германии (Веймар, 2006 г.); на научно-технических конференциях в ФГБОУ ВПО ПГУПС: «Неделя науки» (Санкт-Петербург, 2006-2009 гг.); на Международной научно-практической конференции «Пенобетон 2007» (Санкт-Петербург, 2007 г.); на Международной научно-практической конференции «Техносферная и экологическая безопасность на транспорте» (Санкт-Петербург, 2008 г.).
На защиту выносятся следующие вопросы:
-
Критерии оценки и обоснование выбора пористого силикатсодержащего техногенного сырья для получения эффективного кирпича.
-
Результаты исследований влияния техногенного сырья на основные физико-химические и физико-механические свойства, а также поровую структуру полученных материалов.
-
Составы эффективного керамического кирпича с улучшенными теплотехническими характеристиками.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 2 статьи в рекомендуемых ВАК РФ изданиях, 4 патента РФ, одна монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах, состоит из введения, 5 глав, общих выводов и 5 приложений, включает 24 таблицы и 38 рисунков. В списке литературы приведено 143 источника.
