Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава I. АНАЛИЗ ДОСТИЖЕНИЙ В -ОБЛАСТИ
ПОРИСТОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1. Анализ научно—технических работ по технологии
пористокерамических материалов и изделий 13
1.2. Научная гипотеза, цель и задачи исследования 36
Выводы 37
Глава 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И СВОЙСТВА СЫРЬЯ 40
2.1. Методика и аппаратура получения пористокерамических материалов и
изделии (нестандартизированные методики) 40
Методика исследования чувствительности глины к сушке, рационального режима сушки и обжига 40
Методика и оборудование для изучения кинетики вспучивания ...42
Методика вспучивания и спекания сырцовых гранул в формах, конструирование и наладка обжиговых лабораторных печей 43
Методика исследования кинетики вспучивания свежеотформованных глиняных заготовок 47
2.2. Методика исследований норовой структуры 48
2.2.1. Методика морфологических исследований норовой структуры
керамзита 48
2.2.2. Методика автоматизированной оценки поровой структуры
керамики 48
2.2.3. Рентгенофазовый анализ 50
Методика определения теплопроводности 51
Методика стандартизированных исследований 54
Состав и свойства применяемого сырья 55
Минеральный состав сырья 55
Физико-химические свойства применяемого сырья 57
2.6. Выводы 62
Глава 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ И ФИЗИКО-
ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУЧЕНИИ
ПОРИСТОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 64
3.1. Технологические свойства сырья 64
Определение оптимальных параметров вспучивания 64
Определение чувствительности глин к сушке 68
Определение рационального режима сушки 69
Определение рационального режима обжига 73
3.2. Вспучивание пористокерамических материалов 75
Кинетика вспучивания сырцовых ['ранул 75
Вспучивание и спекание пористокерамических изделии из сырцовых гранул в формах 80
Кинетика вспучивания пластинообразных глиняных заготовок....89
Физико-химические процессы и фазовые превращения высокотемпературного вспучивания 95
Интенсификация технологических процессов производства пористокерамических материалов 99
Влияние режимов охлаждения на физико-технические свойства..99
Влияние различных добавок-интенсификаторов 103
3.5. Выводы 114
Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОИ II
ИЗДЕЛИЙ 116
4.1. Способы и аппаратурное оформление получения пористокерамических
изделий 1 16
4.2. Оптимизированная технология энергоэффективного керамзитового
гравия 138
4.3. Выводы 153
Глава 5. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПОРИСТОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 154
5.1. Физико-механические свойства пористокерамических материалов и
изделий 154
Строительно-технические свойства энергоэффективного пористокерамического материала-керамзита 154
Деформативно-прочностные свойства пористокерамических изделий 159
5.2. Теплотехнические и гидрофизические свойства пористокерамических
изделий 163
Теплопроводность пористокерамических изделий 163
Сорбционная влажностыюристой керамики 169
Паропроницаемость пористой керамики 171
5.3. Гидрофизические свойства пористокерамических изделий 173
Результаты исследований капиллярного всасывания воды 173
Морозостойкость пористокерамических изделий 176
Водопоглощение пористокерамических изделий 1 7^
5.4. Выводы 181
Глава 6. ОСОБЕННОСТИ ПОРОВОЙ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ПОРИСТОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ. 1 83
Поровая структура, фазовый и минералогический состав керамзитового гравия 183
Сцепление керамзита с цементным камнем 190
6.3 Поровая структура и фазовый состав пористокерамических изделий. 192
Особенности норовой структуры пористокерамических изделий 192
Фрактальные параметры пористой системы пористокерамических изделий 202
6.3.3. Фазовый состав пористокерамических изделий 206
6.4. Выводы 209
Глава-7. ОПТИМАЛЬНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ,
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ПОРИСТОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 212
7.1. Бетоны на пористых заполнителях 212
Классификация бетонов на пористых заполнителях 212
Подбор составов керамзитобетонов на эффективном керамзите Черкесского завода 213
7.2. Область применения керамзитобетонов на эффективном керамзите.
Черкесского завода 223
Конструкции и изделия из керамзитобетона, их практическое применение 223
Тепло- и звукоизоляционная засыпка 228
Теплотехнические расчеты наружных стен из пористокерамических блоков. 230
Экономическая и экологическая эффективность производства пористокерамических материалов и изделий 234
Экономическая эффективность производства пористокерамических материалов и изделий 234
Экологическая эффективность производства пористокерамических материалов и изделий 239
7.5. Выводы 240
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 245
ПРИЛОЖЕНИЯ 279
Введение к работе
Актуальность. Современное строительство, его быстро растущий объем,
требует не столько увеличения объема производства строительных материалов для ограждающих конструкций, сколько совершенствования их эффективности, что обеспечит более высокий качественный уровень комфортности современного жилья: Реализовать эту масштабную программу, напрямую связанную с научно-техническим прогрессом в области современных строительных материалов, можно путем применения новых технологий, улучшения технологических приемов, совершенствования технологического оборудования при расширении и обновлении основных фондов промышленности строительных материалов.
К решению этой проблемы обязывает и реализация энергосберегающих эксплуатационных требований к зданиям и сооружениям нового СНиІІ 23-02 «Тепловая защита зданий» [280], принятого Постановлением Госстроя РФ № 113 от 26.06.2003 г. и введенного в действие с 1 октября 2003 г. (Взамен СНиІІ 11-3-79 «Строительная теплотехника» [278]).
Указанные строительные нормы и правила устанавливают требования к тепловой защите зданий в целях экономии энергии при обеспечении санитарно-гигиенических и оптимальных параметров микроклимата помещений и долговечности ограждающих конструкций зданий и сооружений.
Требования по повышению тепловой защиты зданий и сооружений, основных потребителей энергии, являются важным объектом государственного реіулирования в большинстве стран мира. Эти требования рассматриваются также с точки зрения охраны окружающей среды, рационального использования невозобновляемых природных ресурсов и уменьшения влияния "парникового" эффекта, а также других вредных веществ на атмосферу.
Настоящие нормы затрагивают часть общей задачи энергосбережения в
зданиях. Одновременно с созданием эффективной тепловой защиты, в соответствии с другими нормативными документами, принимаются меры по повышению эффективности инженерного оборудования здании, снижению потерь энергии при её" выработке и транспортировке, а также по сокращению расхода тепловой и электрической энергии путем автоматического управления и регулирования оборудования и инженерных систем в целом.
Новые нормы но тепловой защите зданий гармонизированы с аналогичными зарубежными нормами развитых стран. Эти нормы, как и нормы на инженерное оборудование, содержат минимальные требования, и строительство многих зданий может быть выполнено на экономической основе с существенно более высокими показателями тепловой защиты, предусмотренными классификацией зданий по энергетической эффективности.
Установленные нормы предусматривают введение новых показателей энергетической эффективности зданий - удельного расхода тепловой энергии на отопление за отопительный период с учетом воздухообмена, тешюпоетуи-лений и ориентации зданий, устанавливают их классификацию и правила оценки по показателям энергетической эффективности как при проектировании и строительстве, так и в дальнейшей эксплуатации. Нормы обеспечивают гот же уровень потребности в тепловой энергии, что достигался при соблюдении второго этапа повышения теплозащиты СНиП П-3-79 [278] с изменениями № 3 и 4, но предоставляют более широкие возможности в выборе технических решений и способов соблюдения нормируемых параметров.
Требования новых норм и правил прошли апробацию в.большинстве регионов Российской Федерации в виде территориальных строительных норм (ТСН) по энергетической эффективности жилых и общественных зданий.
Рекомендуемые методы расчета теплотехнических свойств ограждающих конструкций для соблюдения принятых в этом документе норм, справочные материалы и рекомендации по проектированию излагаются в своде правил С\\ 23-101 "Проектирование тепловой защиты зданий".
Как известно [47, 50, 139, 140, 155], здания в нашей стране потребляю! около 43% всей вырабатываемой тепловой энергии, из которых 90% идет на их отопление, что в 2-2,5 раза больше чем в развитых странах. На отопление жилых многоквартирных домов в средней полосе России в год расходуется 350-600 кВт ч/м', одноквартирных 600-800, в то время как в ФРГ -260, в Швеции и Финляндии - 135 кВт ч/м" [191, 290]. Ежегодный расход условного топлива на отопление жилья составляет: в России - 74 кг/м", в ФРГ - 34 кг/м" и в Швеции -18 кг/м" [47, 50, 140, 291]. Производство одного куб. м легких керамических заполнителей расходуется более 90 кгу.т. и 30 кВт электроэнергии. Производство энергоэффективных и энергосберегающих строительных материалов стала одним из актуальных проблем строительного материаловедения и стройин-дустрии.
Разработка технологии энергоэффективных и энергосберегающих материалов повышающих теплозащиту зданий, предусматренные современными строительными нормами, возможно несколькими вариантами. Основной из них заключается в разработке и освоении новых теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов и изделий, способных обеспечить требуемый уровень теплозащиты с сохранением прежних проектных решений зданий, исключающих коренную перестройку технологической оснастки стройиндустрии.
В. настоящее время наибольший объем выпускаемых в стране ограждающих конструкций составляют изделия с применением дорогостоящих ненополистиролов с керамзитобетоном. В виду высокой плотности, последний практически перестал применяться в панельном домостроении, хотя его возможности не исчерпаны, а влияние фактора времени полистирола па теплопроводность изучена недостаточно. В свете вышеуказанных изменений, традиционно выпускаемые промышленностью легкие заполнители (в том числе и керамзит, который занимает примерно У* объема общего выпуска) на сегодняшний день не отвечает новым требованиям. Плотность отечественного керамзита
8 в большинстве составляет 500 - 600 кг/м , на котором можно получить легким
бетон плотностью не менее 1000-1100 кг/м3. Коэффициент теплопроводности такого бетона не удовлетворяет требованиям СП 23-101 [2811. Для изготовления легкого бетона М 75 (класс В5) и М100 (В7,5), наиболее распространенных при изготовлении наружных ограждающих конструкций, и плотностью порядка 600-700 кг/м3, необходим керамзит плотностью до 350 кг/м3 с прочностью при сдавливании в цилиндре не менее 1,5 МПа. В настоящее время при производстве керамзита не использованы все потенциальные возможности'технологии, есть пути для совершенствования технологического процесса и оборудования. Решение указанной проблемы может быть осуществлено путем теоретического- и экспериментального обоснования оптимальных температур повременных режимов, обеспечивающих получение наиболее легкого керамзита при его максимальной прочности. Решение проблемы получения высококачественного керамзита путем формирования малодефектной ячеистой структуры в процессе механической и термической обработки глины связано с более эффективным использованием её потенциальных возможностей па основе углубленного представления о механизме производства керамзита. Однако, при улучшении теплотехнических свойств, неизбежно ухудшаются другие характеристики бетона. Например, поризация цементно-песчаной составляющей снижает прочностные характеристики, а введение тоикодиснерсных добавок снижает долговечность бетона.
Поэтому в последние годы все большее число исследований посвящено разработке новых технологий керамики с мелкопористой структурой и модифицированию керамзитопоробетонов, обеспечивающих получение материалов с пониженным коэффициентом теплопроводности и использование их в новых конструктивных решениях стен. Одним из примеров такого материала может служить пористокерамические изделия и модифицированный керамзитопоро-бетон на основе энергоэффективного пористокерамического заполнителя плотностью менее 350 кг/м1. '"Это перспективные материалы, у которых коэф-
9 фициент теплопроводности и соответственно, достаточная термосопротивляемость, материал долговечный, с достаточной прочностью, невлагоемкий, огнестойкий, экологически чистый. Археологические раскопки доказывают, что долговечность керамики исчисляется тысячелетиями. В зависимое от назначения материала в конструкциях (несущий или утеплитель) существует возможность изготовления пористокерамических материалов и изделий с различной плотностью от 150 до 750 кг/м3. Эффективно использование пористокерамических материалов и изделий в конструкциях наружных ограждающих панелей и плит перекрытий, в межкомнатных звукоизоляционных перегородках, с достаточно низкой нагрузкой от собственной массы. Особо аффективно использование пористокерамических материалов и изделий в горных сейсмо-опасных районах, где есть широкие возможности использования природных алюмосиликатных и естественных стекловидных пород.
Цель работы. Разработка и промышленное освоение технологии получения энергоэффективных теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов и пористокерамических изделий на основе легковспучивающихся глин.
Для решения поставленной задачи предстояло:
теоретически обосновать технологию получения пористокерамических теплоизоляционных плит, конструкционно-теплоизоляционных блоков и энергоэффективных пористокерамических заполнителей с повышенными теплозащитными свойствами;
установить влияние химико-минералогического состава и свойств глинистых сырьевых материалов на процессы формирования структуры пористой керамики, а также их основные физико-техническими свойства;
технико-зкономически и экологически обосновать предложенную технологию энергоэффективных пористокерамических материалов и изделий;
- обозначить области рационального использования в строительстве
энергоэффективных пористокерамических материалов и изделий;
- промышленное освоение результатов научных исследований.
Научная новизна работы.
Разработана теоретически обоснованная и экспериментально подтвержденная технология энергоэффективных огнестойких пористокерамических теплоизоляционных плит и конструкционно-теплоизоляционных блоков с низкой плотностью и теплопроводностью скоростным высокотемпературным вспучиванием и спеканием сырцовых глиняных заготовок.
Теоретически обоснована и практически доказана возможность снижения насыпной плотности, коэффициента теплопроводности и энергопотребления производства керамзитового гравия путем сближения порообразующих и стеклообразующих реакций, а также увеличением поверхности нагрева при скоростном высокотемпературном вспучивании глиняных сырцовых іранул с последующей стабилизацией и фиксацией поризованной аморфизированной структуры.
Впервые изучены закономерности влияния на интенсификацию процессов вспучивания и спекания добавок перлита, кремнистых опаловых пород, масляных погонов, формиата натрия и оиудривания сырцовых гранул мелкодисперсной легкоплавкой глиной.
Установлены математические зависимости для прогнозирования строительно—технических свойств пористокерамических материалов и изделий от физико-химических свойств глинистого сырья, а также от технологических факторов.
Получены новые данные о влиянии фазового состава и общей дифференциальной пористости пористокерамических материалов и изделий на прочность и теплопроводность.
Впервые установлен фрактальный фактор пористой системы структуры в виде линейной билогарифмической зависимости площади пор от их периметра для прогнозирования плотности и оптимизации технологии производства пористокерамических материалов и изделий.
Новизна технических разработок защищена 8 патентами РФ.
Достоверность полученных результатов обеспечена чем, что экспериментальные исследования по разработке технологии и определению физико-механических и деформационных свойств пористокерамических материалов и изделий проведены на основе современных методик, с подтверждением статистическими методами.
Практическая, ценность работы:
использование блоков из пористокерамических материалов и изделий плотностью 300-500 кг/м в стеновых конструкциях взамен традиционного кирпича позволяет снизить толщину стен в 1,3-1,5 раза, а применение теплоизоляционных плит-вкладышей плотностью 150-300 кг/м в кирпичной кладке или в трехслойных железобетонных панелях позволяет сократить юлщину стен в 1,5-2 раза;
применение пористокерамических заполнителей в легких модифицированных керамзитопоробетонах позволяет сохранить действующие производства однослойных стеновых панелей в Южном регионе России;
на Черкесском керамзитовом заводе введена в эксплуатацию запатентованная вращающаяся печь, в которой реализован способ получения энергоэффективного пори сток ерамического заполнителя - керамзита с насыпной плотностью 250-350 кг/м3, прочностью до 1,8 МПа.
предложена технология пористокерамических мелкоштучных блоков
і *
плотностью 400-800 кг/м , теплоизоляционных плит плотностью 150-300 кг/м" с повышенными теплозащитными и прочностными свойствами из слабо- и среди ев спучивающихся легкоплавких глин;
разработаны нормативы для проектирования и изготовления ограждающих конструкций с применением пористокерамических материалов и изделий плотностью 150-800 кг/м3;
разработаны технические условия производства крупноблочных керамзитобетонних элементов;
полученный энергоэффективный пористокерамический заполнитель
используется в панельном домостроении вт. Ростове-на-Дону (ЗАО «ККПД», ЗАО «ЖБК»), в г. Волгодонске (ЗАО «ККПД»), в г. Сочи (ЗАО «ЖБК»), в г. Армавире (АО «Домостроитель»), в г. Изобильный (ЗАО «ККПД»), в г. Неви-номысске (СМУ ОАО «Азот»).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: II научно-практической конференции преподавателей и аспирантов Каранаево-Черкесского технологического института в г. Черкесске (1997 г); конференции молодых ученых и специалистов в области бетона и железобетона в г. Москве (1998 г.); Международной научно-практической конференции «Строительные материалы XXI века-технологии и свойства» в г. Алма-ты (2001г.); конференции творческой молодежи «Новые идеи развития бетона и железобетонных конструкций» в г. Москве (2002т.); на заседаниях комиссии по энергосбережению в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве Карачаево-Черкесской республики.
Публикация. По основным результатам исследований опубликовано 26 работ, в том числе получено 8 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка литературы из 378 наименований и приложения. Содержание изложено на 278 страницах машинописного текста, в том числе имеет 110 рисунков и 53 таблицы.
Автор искренне признателен Г.И. Еворенко, Р.К. Оганесяну, .Г. Чентемирову], а также коллективу лаборатории легких бетонов и конструкций НИИЖБа за оказанную помощь при выполнении исследований и за ценные замечания по работе в целом.
