Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние производства и применения керамических теплоизоляционных строительных материалов 11
1.1. Преимущества применения керамических теплоизоляционных строительных материалов низкотемпературного вспенивания на основе композиций глинистого и непластичного сырья в современном строительстве 11
1.2. Сырье, составы масс для производства керамических теплоизоляционных строительных материалов, их свойства и применение 14
1.3. Способы получения пористых структур керамических теплоизоляционных строительных материалов 17
1.4. Возможные направления стабилизации пористой структуры глиносодержвщих композиций низкотемпературного вспенивания 24
1.5. Возможные направления улучшения спекания и повышения свойств поризованных глиносодержащих масс 29
1.6. Постановка цели и задач исследования 30
2. Характеристика исходных материалов. Методы исследований и методология работы 34
2.1. Состав и свойства глинистого сырья 35
2.2. Состав и свойства непластичных видов сырья 43
2.2.1. Волластонитовая порода 43
2.2.2. Диопсидсодержащая порода 44
2.2.3. Кварц-полевошпатовый сорский песок 45
2.2.4. Высококальциевый шлак 47
2.2.5. Высококальциевая зола сухого отбора 48
2.2.6. Гипсовые вяжущие 49
2.2.7. Добавочные материалы 50
2.3. Методы исследований 51
2.3.1. Методы исследования сырья 51
2.3.2. Методы исследования свойств композиций при низкой температуре и изделий после обжига 52
2.3.3. Специальные методы исследования сырья, сырьевых композиций и готовых изделий 54
2.4. Методология работы 55
3. Исследование физико-химических процессов формирования фазового состава и свойств керамических теплоизоляционных материалов 57
3.1. Исследование физико-химических процессов в водоглино содержащих композициях на стадии их изготовления. 57
3.1.1.Исследование вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций 57
3.1.2. Исследование влияния добавок на изменение вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций 59
3.1.3 Исследование влияния добавок на физико-химические процессы в водоглиносодержащих композициях на стадии их изготовления 65
3.1.4 Изменение вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций в зависимости от физико-химических процессов в них 79
3.2. Исследование спекания и физико-химических процессов в глиносодержащих композициях при обжиге 81
3.2.1 Влияние добавок непластичных компонентов, жидкого стекла и гидроксида натрия на спекание глинистых пород 81
3.2.2. Физико-химические процессы при обжиге глинистых пород 84
3.2.3. Физико-химические процессы при обжиге композиций глинистых пород с дополнительными компонентами 88
3.2.4. Исследование изменения спекания композиций глинистых ПОРОД с добавками в зависимости от процессов фазообразования в них 109
3.3. Анализ результатов влияния добавок на свойства глиносодержащих композиций на низко- и высокотемпературной стадиях их получения 112
Выводы по главе 113
4. Разработка составов и исследование свойств теплоизоляционных керамических строительных материалов 116
4.1. Разработка составов и исследование свойств теплоизоляционных материалов из композиций с высококальциевой золой для обеспечения их вспенивания 116
4.1.1. Состав композиций и их свойства после вспенивания 116
4.1.2. Исследование спекания пористых образцов и их свойств после обжига 122
4.1.3. Микроструктура и фазовый состав пористой керамики из композиций с высококальциевой золой 125
4.2. Разработка составов и исследование свойств теплоизоляционных материалов из композиций с гидроксидом натрия для их вспенивания 129
4.2.1. Составы композиций и их технологические свойства 129
4.2.2. Оценка спекания и свойств пористых образцов после обжига 136
4.2.3. Структура и фазовый состав пористой керамики из щелочесодержащих масс 142
Выводы по главе 144
5. Технология изготовления и технико-экономическая эффективность получения и применения керамических теплоизоляционных материалов низкотемпературного вспенивания 146
5.1. Технология изготовления керамических теплоизоляционных строительных материалов 147
5.2. Результаты опытно-промышленных испытаний теплоизоляционной керамики 151
5.3. Технико-экономическая эффективность получения и применения керамических теплоизоляционных строительных материалов 153
Выводы по главе 156
Основные выводы 157
Библиографический список 160
- Способы получения пористых структур керамических теплоизоляционных строительных материалов
- Исследование влияния добавок на изменение вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций
- Состав композиций и их свойства после вспенивания
- Технико-экономическая эффективность получения и применения керамических теплоизоляционных строительных материалов
Введение к работе
Актуальность работы. Дефицит долговечных, пожаробезопасных, био-и коррозионностойких неорганических теплоизоляционных материалов возможно снизить за счет выпуска штучных изделий в виде кирпича и блоков из высокопористой керамики на базе широко распространенного глинистого сырья. Пористая структура такой керамики может быть создана по энергоэффективной технологии низкотемпературного вспенивания масс при газовыделении, позволяющей изготовление штучных изделий обжигом в одну стадию, минуя стадию предварительного получения пористых гранул.
В настоящее время установлены отдельные виды добавок, которые можно использовать для низкотемпературного вспенивания (алюминиевая пудра и известь гашеная или высококальциевая зола) и стабилизации структуры вспененной массы (гипс строительный, портландцемент, цеолитовая порода, ультрадисперсный кремнезем и тонко дисперсный альбитофир).
Однако имеющиеся результаты исследований являются недостаточными для управления технологическим процессом получения низкотемпературным вспениванием керамических теплоизоляционных материалов на основе глинистого сырья, отличающегося дисперсностью, химическим, фазово-минеральным составом, степенью совершенства структуры слагающих глину минералов. Остаются актуальными и требуют решения вопросы функциональной роли компонентов, применяемых для получения водоглиносодержащих композиций достаточной вязкости и прочности, обеспечивающих их вспенивание и устойчивость после него, на стадии изготовления. Значимыми являются вопросы достижения достаточной прочности изделий без их деформации при снижении плотности после обжига.
Диссертационная работа выполнялась в рамках грантов Сибирского федерального университета: «Школа научного резерва» (2007-2008 гг.), «Инновационные экотехнологии в области сооружения и эксплуатации объектов урбанизированной инфраструктуры» (2008-2009 гг.) и «Теплоизоляционные и стеновые керамические материалы на основе композиций глин с техногенным силикатным сырьем» (2008-2009 гг.).
Цель работы - разработка составов и исследование свойств керамических теплоизоляционных строительных материалов из композиций глинистого и непластичного сырья, получаемых по энергоэффективной технологии низкотемпераурного вспенивания.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
обобщение накопленного экспериментального материала в области использования глинистого и непластичного сырья в технологии производства керамических теплоизоляционных строительных материалов низкотемпературного вспенивания на основе композиций глинистого и непластичного сырья;
исследование влияния вида и количества непластичного компонента,
жидкого стекла и 2Н раствора гидроксида натрия на изменение вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций на стадии их изготовления;
исследование физико-химических процессов формирования фазового состава в процессе обжига, структуры и свойств керамических теплоизоляционных материалов после обжига;
разработка составов и исследование свойств керамических теплоизоляционных строительных материалов из композиций глинистого и непластичного сырья для их получения по технологии низкотемпературного вспенивания;
проведение опытно-промышленных испытаний и разработка практических рекомендаций для изготовления и применения керамических теплоизоляционных строительных материалов низкотемпературного вспенивания на основе композиций глинистого и непластичного сырья.
Научная новизна работы
1. Установлено, что в композициях на основе глинистых пород и
непластичного сырья, включающих высококальциевую золу с содержанием
8-9 % свободного оксида кальция, формирование пористой структуры
необходимой прочности при температуре 20-30 С обеспечивается за счет
взаимодействия оксида кальция золы с водой и глинистыми минералами и
образования гидратных соединений, обладающих вяжущими свойствами. При
последующем обжиге вспененных композиций оксид кальция золы участвует в
образовании волластонита, обеспечивающего прочность пористой керамики.
2. Установлено, что в композиции, содержащие глину и непластичные
компоненты, для их вспенивания при температуре 20-30 С необходимо
вводить раствор гидроксида натрия. При этом стабилизация пористой
структуры после вспенивания достигается добавками жидкого стекла, а
прочность - за счет добавок гипса. Стабилизация пористой структуры
композиций после вспенивания при использовании добавки жидкого стекла
достигается совокупностью вяжущих свойств самой добавки и гидросиликатов
кальция, образующихся при ее химическом взаимодействии с глинистыми
минералами. Повышение прочности пористой структуры композиций после
вспенивания при введении добавки гипса обеспечивается вяжущими
свойствами гипса. В процессе обжига керамики добавки жидкого стекла и
гипса способствуют образованию упрочняющих керамику муллитоподобной
фазы и анортита соответственно.
3. Установлено, что использованием в глиносодержащих композициях
добавок, инертных при температуре 20-30 С к химическому взаимодействию с
глинистыми минералами, но выделяющих при гидролизе катионы разной
валентности, можно изменять их вязкость и упрочнение с течением времени.
Добавки, выделяющие при гидролизе преимущественно катионы Са,
увеличивают вязкость и ускоряют упрочнение водоглиносодержащих
композиций. Добавки, выделяющие преимущественно катионы Na, катионы
нескольких видов (Na, К, Са или Са, Mg) и незначительное количество в
основном за счет небольшого содержания кальцита катионов Са, снижают
вязкость при ускорении упрочнения водоглиносодержащих композиций. Снижение вязкости композиции тем сильнее, чем выше вероятность образования в жидко-вязкой среде катиона Na в его моновиде. Практическая ценность работы
1. Разработаны составы композиций на основе глинистого и
непластичного сырья, обеспечивающие структурную прочность после
вспенивания и получение керамических теплоизоляционных изделий с
плотностью 410-750 кг/м и прочностью при сжатии 1,8-6,3 МПа.
Разработана технология получения теплоизоляционных керамических материалов и изделий, на базе применяемой технологии изготовления кирпича с введением в нее необходимых дополнительных технологических переделов, организованных на участке цеха изготовления кирпича с использованием того же оборудования (щековой дробилки, мельницы) и установкой недостающего (пропеллерной мешалки).
Предложены направления стабилизации структуры вспененных композиций путем введения в их состав высококальциевой золы (15-45 %) с содержанием 8-9 % свободного оксида кальция, 2Н раствора гидроксида натрия (30 %) с добавкой гипса строительного различных марок (0,8-5 %) или с добавкой жидкого стекла (5 %). Выявлен характер изменения вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций при введении непластичных компонентов, выделяющих при гидролизе катионы Na и Са как в моновиде, так и при их сочетании с катионами К и Mg.
Реализация результатов работы. В цехе строительных материалов некоммерческой организации «Муниципальный жилищный фонд г. Абакана» (Хакасия) проведены опытно-промышленные испытания изделий из масс двух
составов с плотностью 520-610 кг/м и прочностью при сжатии 2,9-3,6 МПа. На технологию изготовления блочных керамических теплоизоляционных строительных материалов разработан технологический регламент.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Строительство» Хакасского технического института - филиала Сибирского федерального университета при изучении курсов «Строительное материаловедение», «Физическая химия строительных материалов» и «Композиционные строительные материалы».
Автор защищает:
выявленные физико-химические процессы изменения вязкости и упрочнения водоглиносодержащих композиций с добавками непластичных компонентов, жидкого стекла и гидроксида натрия, изменения структурной прочности вспененных композиций;
установленные физико-химические процессы формирования фазового состава, структуры и свойств керамических теплоизоляционных строительных материалов после обжига;
разработанные составы, свойства и результаты опытно-промышленных испытаний керамических теплоизоляционных строительных материалов с
прочностью при сжатии 1,8-6,3 МПа при плотности 410-750 кг/м , полученных по энергоэффективной технологии низкотемпературного вспенивания.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 9 конференциях международного, всероссийского и регионального уровней, в городах: Саратов (2009 г.), Новосибирск (2009 г.), Абакан, (2006, 2007, 2008, 2009 гг.); Пенза, (2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 15 статей, 3 из которых - в журналах по списку ВАК.
Структура работы. Диссертация состоит из 5 глав, основных выводов, библиографического списка из 147 наименований и приложений. Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, содержит 39 таблиц и 56 рисунков.
Способы получения пористых структур керамических теплоизоляционных строительных материалов
Способам получения высокой пористости керамических теплоизоляционных строительных материалов посвящены работы Ю. В. Горлова, И. И. Мороза, П. П. Будникова, В. А. Китайцева, М. Г. Чентемирова, И. Я. Гузмана, В. И. Верещагина, Л. К. Казанцевой, В. Ф. Завадского и других ученых. Используются способы введения добавок, выгорающих при обжиге. В их качестве применяют порошок каменного угля или кокса, гранулированного торфа, лигнина, древесных опилок, золу-унос ТЭЦ, алюмосиликатные микросферы [9, 24-26]. В последние годы в качестве выгорающей добавки стали применять гранулированный полистирол [18].
При использовании способа выгорающих добавок обеспечивается снижение усадочных деформаций, повышение трещиностойкости, регулирование плотности изделий и равномерности обжига, сокращается расход топлива на сушку и обжиг. Плотность изделий составляет 500-900 кг/м3 [4, 24] и регулируется количеством органических добавок и величиной в массах для них водотвердого отношения. Прочность изделий при этом способе можно повысить путем образования пор с плотной внутренней поверхностью [26, 27]. Так, если смешать опилки с измельченными плавнями (технической содой, поташом, природным или искусственным сульфатом натрия) до их равномерного распределения, а затем с битумной эмульсией, то прочность керамики повышается в 2-4 раза.
Повышению прочности керамики из смеси легкоплавкой глины с опилками способствуют добавки гранитоидов - отходов, получаемых при переработке горных пород, сложенных плагиоклазом, кварцем, биотитом [28]. Упрочнение поризованной керамики в этом случае объясняется образованием большого количества жидкой фазы, которая способствует заполнению порового пространства и уплотнению структуры черепка. Из образующегося расплава активно кристаллизуется анортит, который характеризуется наиболее низким отношением СаО / Si02 из всех известных кальциевых соединений с каркасной структурой, что является одним из факторов его высокой механической прочности и морозостойкости [28].
При изготовлении керамических теплоизоляционных строительных материалов широко применяется способ пенообразования. Изготовленный из сырья шликер смешивается с заранее приготовленной технической пеной [4, 11, 24]. При этом минеральный шликер втягивается в стенки пузырьков пены. Пеномассу заливают в формы и после сушки обжигают. Этим методом удается получить более высокопористые изделия, чем методом выгорающих добавок.
Пену получают взбиванием в лопастных мешалках смеси, состоящей из воды, пенообразователя, активатора пенообразования и стабилизатора пены. Большой объем устойчивой пены образуется при использовании смолосапонинового и клееканифольного пенообразователей [29-32], моющих средств [17], аминола с добавками сульфата алюминия и 10% - ного раствора поливинилового спирта [33]. При перемешивании смеси в течение 2-4 минут достигаемая кратность пены составляет 7-9 [33]. В теплоизоляционных пенокерамических материалах с плотностью 470-540 кг/м из масс на основе глины в качестве пенообразователей успешно опробованы традиционные вещества [34], используемые в производстве пенобетона (ПО - 6НП, ПБ - 2000).
Широкое применение при получении керамических теплоизоляционных строительных материалов нашел способ газовыделения [15, 35-42], основанный на выделении газа при обжиге керамики или при изготовлении масс.
Поризация керамики за счет газовыделения при обжиге происходит при изготовлении таких материалов, как керамзит и аглопорит. Газовыделение газообразующих продуктов в виде СО2, СО и других [41] обеспечивается при выгорании органических примесей (в керамзите) или топлива (в аглопорите), диссоциации карбонатов, реакций окисления и восстановления железистых примесей. Поризация керамики обеспечивается совмещением газообразования с размягчением сырья и достижением им определенной вязкости при обжиге. Получаемая плотность материала изменяется от 400 до 800 кг/мл, коэффициент теплопроводности - от 0,0176 до 0,256, прочность при сжатии - от 0,4 до 5,5 МПа [16, 35-37].
Поризация керамики за счет газообразования при изготовлении масс происходит путем их низкотемпературного вспенивании и последующего закрепления пористой структуры обжигом. При вспенивании масс протекают реакции взаимодействия газообразователей с их компонентами. В качестве газообразователя используется дисперсный алюминий, который взаимодействует с гидрооксидом натрия или кальция, вводимым в состав масс, по реакции: 4NaOH + 2А1 + 2 Н2О = 2Na20 А1203 Н2О + ЗН2 Т или ЗСа(ОН)2 + 2А1 + 6 Н20 = ЗСаО А1203 6Н20 + ЗН21
Поризация масс происходит за счет выделяющегося при этом взаимодействии водорода [11, 12, 36].
При изготовлении керамических теплоизоляционных строительных материалов из огнеупорного глиносодержащего сырья в качестве газообразователя применяется 2% - ный раствор серной кислоты в количестве 40% от веса сухой шихты [33, 35, 36, 43, 44] или смесь доломита с ортофосфорной кислотой [36]. Образующиеся при их введении в шихту соединения разлагаются с выделением газообразной фазы по реакциям: CaMg(C03) + 2Н2804 = CaS04 + М804 + 2Н2О + 2С02Т или 3CaMg(C03)2 + 4H3PO4 = Ca3(P04)2 + Mg3(P04)2+ 6H20 + 6C02t„ Причем выделение газообразной фазы, обеспечивающей поризацию керамики, протекает в начале кристаллизации [43], что является очень важным фактором для обеспечения структурной прочности масс после их вспенивания.
Поризация масс на основе корбонатного глинистого сырья возможна при использовании серной и ортофосфорной кислот или соли серной кислоты, в частности сульфата алюминия. При использовании сульфата алюминия активное газообразование происходит за счет протекания реакции: А12(804)3 + ЗСаС03 + 8Н2О - 2А1(ОН)з + 3CaS04 2Н2О+ ЗСО2Т Низкотемпературное вспенивание глиносодержащих масс практически опробовано при изготовлении газокерамики [15]. При этом способе глинистым сырьем загружается пропеллерная мешалка, в которую в которую предварительно подают горячую воду с температурой 60-80С. Количество экспериментально подобранной воды составляет от 75 до 150% от сухой массы. Из мешалки шликер поступает в лопастной смеситель для перемешивания, куда подается газообразователь и стабилизатор структуры массы. Газообразователем служит смесь алюминиевой пудры с известью. Расход извести составляет 4-6%, алюминиевой пудры 0,15-0,3 % от веса сухой массы. В качестве стабилизатора применяется полуводный гипс в количестве 6-8 %. Перемешенная в течении 1-1,5 минуты масса разливается в металлические формы, установленные на печные вагонетки. В формы заливается масса до половины объема. Вспучивание глинистого шликера в формах продолжается 30-40 минут. После вспучивания изделия поступают в туннельную сушилку, а затем на обжиг. Сушка проводится при температуре 90-100 С в течение 40-60 минут. Обжиг при температуре 1120-1250 С в зависимости от вида глинистого сырья с выдержкой 4 часа при конечной температуре. Плотность полученных изделий составляет 500-800 кг/м3, прочность при сжатии - 1,5-4,0 МПа. Изделия были опробованы в качестве теплоизоляционных вкладышей в стеновых конструкциях. Известен способ получения теплоизоляционных материалов, при котором формовочная масса сначала поризуется за счет введения в ее структуру пены, а затем газообразователей [45, 46]. По сравнению с пено- или газоматериалом средняя плотность снижается на 20-30%, теплопроводность - на 40-48%, усадка - на 30-40%. Плотность разработанного пеногазобетона составляет 385-414кг/мо, прочность при сжатии - 0,1-1,4 МПа.
Одним из способов получения легких пористых керамических материалов для теплоизоляции является их изготовление из пористых гранул на связках или без них [4, 24, 47-50]. В качестве связующего применяют пластичную огнеупорную глину в смеси с диатомитом (для перлитокерамических изделий), трепел и жидкое стекло (для вермикулитокерамических изделий). Плотность изделий из вспененного перлита на глиняной связке составляет 150-400 кг/мл, при прочности о,1-1,2 МПа [4,11], из вермикулита - 350-400 кг/мл при прочности 0,17-0,3 МПа [24], коэффициент теплопроводности - 0,06-0,086 и 0,07-0,093 Вт/м-С соответственно. Для снижения плотности изделий применяются заполнители моно- или узкофракционного состава, связующее вещество вводится в возможно меньших количествах и используется пониженное давление прессования [24, 36]. Поризация связующего при изготовлении таких изделий дополнительно снижает их плотность [24].
Исследование влияния добавок на изменение вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций
Проведены исследования изменения вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций при введении в них диопсидосодержащей и волластонитовой пород, кварц-полевошпатового сорского песка, высококальциевых шлака и золы, гипса строительного, стеклобоя, жидкого стекла и гидроксида натрия [118], выбранных как наиболее перспективных для получения пористой керамики. При изготовлении композиций с добавками непластичных компонентов их использовали в количестве и с дисперсностью, установленными как наиболее рациональными ранее проведенными исследованиями [93, 98]. Высококальциевая зола, например, содержащая около 90 % частиц размером менее 0,08 мм, использовалась как готовый компонент, гипс строительный -стандартной тонкости помола с остатком 7-14,3 % на сите ячейкой 0,2 мм. Диопсидосодержащая и волластанитовая породы, кварц-полевошпатовый сорский песок, шлак и стеклобой измельчались до остатка не более 5 % на сите с ячейкой 0,063 мм. При получении композиций с гидроксидом натрия применялся его 2Н раствор. Плотность применяемого для композиций жидкого стекла составляла 1391 кг/мо, силикатный модуль - 3. Для сравнения свойств водоглиносодержащие композиции с добавками готовились так же как водоглиносодержащие композиции без добавок при сохранении того же водотвердого отнощения. В качестве глинистых пород для этих исследований использовались глина изыхская и смесь аргиллитов желтой (50%) и черной (50%) разностей, принятая как более перспективная, по сравнению с чистыми разностями.
Установлено, что добавка стеклобоя в количестве от 2 до 20% интенсивно снижает вязкие свойства водоглиносодержащих композиций (рис. 3.2, 3.3) и мало способствует их упрочнению с течением времени (рис. 3.4, 3.5).
Добавки кварц-полевошпатового сорского песка в количестве до 45%, диопсидосодержащей и волластонитовой пород в количестве до 20% снижают вязкие свойства водоглиносодержащих композиций на основе глинистых пород обоих видов (рис. 3.2, 3.3), однако ускоряют их упрочнение (рис. 3.4).
Добавки 2Н раствора гидроксида натрия, жидкого стекла в количестве 33 и 7% соответственно, высококальциевой золы, высококальциевого шлака в количестве до 45%о и гипса строительного в количестве до 10%) увеличивают и вязкие свойства, и упрочнение водоглиносодержащих композиций (рис. 3.2-3.4).
Анализ результатов, полученных на этой стадии исследований, показывает, что разжижающее действие на водоглиносодержащие композиции оказывают добавки стеклобоя, кварц-полевощпатового сорского песка, диопсидсодержащей и волластонитовой пород. Повышению вязких свойств водоглиносодержащих композиций способствуют добавки 2Н раствора едкого натрия, жидкого стекла, высококальциевых золы и шлака и гипса строительного.
Эффект повышения вязкости проявляется более сильно при введении добавок в водоглиносодержащие композиции на основе смеси аргиллитов двух разностей, характеризующейся повышенным, по сравнению с глиной изыхекой, содержанием монтмориллонита. Снижение вязкости и увеличение упрочнения водоглиносодержащих композиций при введении в них добавок наиболее интенсивно происходит при использовании глины изыхской с повышенным содержанием каолинита.
Изменение вязких свойств и упрочнения водоглиносодержаших композиций с течением времени при введении в них добавок может быть обусловлено различными причинами. Для выявления механизма действия добавок на изменение вязких свойств и упрочнения водоглиносодержащих композиций проведены исследования физико-химических процессов при их изготовлении.
Состав композиций и их свойства после вспенивания
На основании полученных экспериментальных результатов, приведенных в табл. 3.7, принято, что в композицях на основе глинистого сырья с высококальциевой золой наиболее целесообразно применить кварц-полевошпатовый сорский песок, высококальциевый шлак и стеклобой [130, 133, 140, 141].
В качестве глинистого сырья можно использовать как глину изыхскую, так и смесь аргиллитов желтой (50%) и черной (50%) разностей. После дробления и тонкого измельчения оба вида глинистого сырья характеризуются хорошими пластическими свойствами (число пластичности глины изыхской 19-29, смеси аргиллитов 13-20) и высокой связующей способностью, предполагающей достаточную структурную прочность композиций после вспенивания. Высококальциевая зола сухого отбора в композициях для теплоизоляционной керамики, кроме функции реакционноактивного компонента, обеспечивающего их вспенивание и прочность пористой структуры после него, может выполнять функциональную роль, связанную с её спекающим действием на глинистые породы и интенсификацией образования волластонита, упрочняющего керамику при обжиге,
Кварц-полевошпатовый сорский песок, содержащий ортоклаз, альбит и анортит в качестве полевошпатовых минералов, обеспечивает плавнеобразующий эффект при температурах обжига 1000-1050С, соответствующей температуре обжига строительной керамики. За счет формирования в процессе обжига муллитоподобной фазы и усиления кристаллизации анортита кварц-полевошпатовый сорский песок способствует повышению прочности образцов из композиций на основе глинистых пород с его содержанием (табл. 3.7). Поэтому, вполне вероятно, что в композициях для керамических теплоизоляционных материалов кварц-полевошпатовый сорский песок обеспечит необходимые свойства их твердой матрицы.
Высококальциевый шлак, сложенный в основном стеклофазой (80-90%) кальций-ферроалюмосиликатного состава, способствует спеканию глинистых пород и активизирует формирование в них волластонита, упрочняющего керамику при обжиге.
Стеклобой, интенсифицирующий образование жидкой фазы при обжиге, способствует спеканию, снижению температуры кристаллизации новых фаз из продуктов разложения глинистых минералов и минералов добавки и увеличению оптимума положительного действия добавок на спекание глинистых пород.
Содержание компонентов в композициях определяли исходя из достижения при их совместном использовании наилучших условий поризации композиций, достижения структурной прочности после вспенивания и получения наиболее спекающейся твердой матрицы. Вполне очевидно, что с точки зрения обеспечения вспенивания композиций количество высококальциевой золы, за счет которой образуется реакционноактивный гидроксид кальция, должно находиться как можно на более высоком уровне. С точки зрения её влияния на спекание глинистых пород максимально возможное количество высококальциевой золы может находиться в пределах от 15 до 30% (табл. 3.3). С учетом того, что интенсификация образования жидкой фазы при введении в составы композиций стеклобоя увеличивает количество добавки, улучшающего спекание глинистых пород, приняли возможным изменение содержания высококальциевой золы в композициях от 15 до 45%. При таком количестве высококальциевой золы способно образоваться от 1,78 до 5,35% гидроксида кальция (табл. 4.1), что сравнимо с 1,35-4,05% извести, обычно используемой для поризации масс [15].
Количество кварц-полевошпатового сорского песка и высококальциевого шлака в композициях для теплоизоляционной керамики может находиться в пределах от 15 до 30% (табл. 3.3), без сколько-нибудь значительного ущерба для спекания - до 45% (рис. 3.13.). Поэтому изменение содержания этих компонентов в композициях выбрано от 15 до 45%. Максимальное количество стеклобоя, как видно из рис. 3. 13, в композициях может составлять 20%, при котором происходит активное спекание как аргиллитов, так и глины изыхской.
Сочетание компонентов и содержание каждого отдельного компонента в общей их совокупности определяли исходя из получения при их совместном использовании наиболее легкоплавких химических составов (табл. 4.2, 4.3), лежащих в поле кристаллизации волластонит - анортит - кварц с эвтектикой при температуре 1165С на диаграмме состояния СаО - А12O3 - Зi02 (рис. 4.1), способность которых к образованию расплава при обжиге подтверждается характером кривых плавкости (рис. 4.2).
Выбор тройной диаграммы обусловлен тем, что в исходных сырьевых материалах оксиды кремния, алюминия и кальция являются доминирующими. При работе с диаграммой состояния СаО - А12O3 - Si02 многокомпонентные составы композиций приводили к трехкомпонентным по правилу Рихтера, путем пересчета щелочных и щелочеземельных оксидов на СаО, а оксидов железа - на А12O3. Для оценки влияния легкоплавких оксидов натрия и калия на спекание и фазообразование керамики из композиций с их содержанием учитывали значение отношения суммы оксидов кальция и магния в процентах к сумме оксидов натрия и калия.
Количество алюминиевой пудры и водотвердое отношение для композиций разных составов, указанные в таблице компонентных составов (табл. 4.2), установлены экспериментально как наиболее оптимальные из анализа результатов исследования изменения свойств вспененных масс в зависимости от содержания алюминиевой пудры в них и водотвердого отношения (табл. 4.4).
Технико-экономическая эффективность получения и применения керамических теплоизоляционных строительных материалов
Для оценки технико-экономической эффективности получения применения разработанных керамических теплоизоляционных строительных материалов проведен расчет расхода глинистого сырья на 1 блок размером 250x120x65 мм, соответствующего размеру стандартного кирпича, массы 1м2 стены толщиной 0,64 м, принятой при строительстве зданий из кирпича, сопротивление ее теплопередаче и расчет толщины стены, обеспечивающей ее сопротивление теплопередаче в 3,7 (м -С)/Вт, требуемого СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника». Рассчитанные показатели сравнивались с аналогичными показателями для кирпича строительного и пустотелого, применяющимися в строительстве много десятков лет.
Расчет перечисленных показателей учитывает влияние теплотехнических характеристик что необходимо и для определения оптимальной величины сопротивления теплопередаче, и для расчета приведенных затрат при оценке вариантов ограждающих конструкций наружных стен [146]. Поэтому приняли, что сравнительные технико-экономические показатели вполне объективно отражают преимущества разработанных материалов перед традиционно применяемыми, выполняющими, в том числе, функцию теплоизоляции.
Анализ технико-экономических показателей, приведенных в табл. 5.3, показывает что для изготовления разработанных материалов в виде блоков требуется значительно меньший (в 1,5 раза) расход глинистого сырья на единицу продукции. При применении разработанные материалы в 2,42-4,05 раз повышают сопротивление теплопередаче при снижении массы 1 м стены принятой толщины в 2,30-2,92 раза. Для обеспечения требуемого термического сопротивления, толщину стены можно уменьшить в 2,42-4,02 раз.
Расчетами установлена технико-экономическая эффективность применения отходов [147], неизбежно появляюшихся при удалении горбушек с блоков и их распиловке. Установлено, что при использовании получаемых отходов в виде щебня и песка как засыпного материала теплозащитные свойства конструкции, например, плиты перекрытия, повышаются за счет снижения плотности и коэффициента теплопроводности слоя засыпки при образовании межзерновой пустотности.
Расчеты показали (табл. 5.4), что замена разработанного плитного теплоизоляционного материала плотностью 520-610 кг/м с коэффициентом теплопроводности 0,17-0,20 Вт/м-С зернистым (поризованным щебнем и песком), сопротивление теплопередачи слоя теплоизоляции одной и той же толщины (в расчете принята толщина, равная 0,34 м) за счет появления межзерновой пустотности в 40%, которая создается в бетоне даже при плотнейшей упаковке зерен заполнителя [11, 12], повышается в 2,18 раза, а масса 1м утепления снижается в 1,67 раза.
Приведенные результаты показывают эффективность получения и разработанных теплоизоляционных материалов и в виде изделий и в виде щебня и песка.
