Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 11
1.1. Применение стеновых изделий с пониженной плотностью 11
1.2. Способы снижения плотности керамических материалов 13
1.3. Известные технические решения для получения пенокерамических изделий 26
1.4. Рабочая гипотеза и задачи исследования 32
Выводы 36
Глава 2. Методы исследований и исходные материалы 38
2.1. Методика проведения исследований 38
2.2. Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований 42
2.3. Характеристика исследуемых материалов 43
Выводы 66
Глава 3. Исследование процессов подготовки и поризации керамических масс 67
3.1. Исследование способности глинистого сырья к образованию коагуляционных структур 61
3.1.1. Применение коагуляционных процессов в технологии пенокерамических материалов 67
3.1.2. Исследование способности глинистого сырья к коагуляции 69
3.2. Выбор глинистого сырья для получения пенокерамических изделий 80
3.3. Исследование процесса подготовки керамических масс 81
3.3.1. Оптимальное содержание электролитов 81
3.3.2. Оптимальное содержание коагулянтов 86
3.4. Исследование процесса поризации 90
3.4.1. Выбор поверхностно-активных веществ 90
3.4.2. Разработка устройства для приготовления пены 91
3.4.3. Исследование свойств пены и пеномассы 96
3.4.4. Оптимальное содержание ПАВ 104
Выводы 107
Глава 4. Исследование процессов сушки и обжига пенокерамических материалов 109
4.1. Исследование процесса сушки 109
4.1.1. Особенности сушки пенокерамических материалов 109
4.1.2. Режим сушки пенокерамических материалов 113
4.1.3. Процессы трещинообразования при сушке пенокерамических изделий 119
4.1.4.Исследование свойств высушенных пенокерамических материалов 122
4.2. Исследование процесса обжига 131
4.2.1. Особенности обжига пенокерамических материалов 131
4.2.2. Дилатометрические исследования и анализ фазового состава пенокерамических изделий 136
4.2.3. Режим обжига пенокерамических материалов 149
4.2.4.Исследование свойств обожженных пенокерамических изделий 152
Выводы 159
Глава 5. Выпуск опытно-промышленной партии и технологические параметры производства пенокерамических материалов 161
5.1. Опытно-промышленные испытания 161
5.2. Технологические параметры производства пенокерамических изделий средней плотностью 450 - 850 кг/м 164
5.2.1. Сырье и материалы 164
5.2.2. Принципиальная схема коагуляционнои технологии пенокерамических материалов 165
5.2.3. Основные параметры производства пенокерамических изделий 169
5.3. Технико-экономическое обоснование производства и эффективность применения пенокерамических материалов .179
Выводы 184
Общие выводы 185
Библиографический список 188
Приложения 201
- Применение стеновых изделий с пониженной плотностью
- Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований
- Применение коагуляционных процессов в технологии пенокерамических материалов
- Процессы трещинообразования при сушке пенокерамических изделий
Введение к работе
Актуальность. Повышение эффективности стеновых керамических материалов возможно снижением стоимости и трудоемкости строительства, массы зданий и повышением их теплозащиты путем разработки новых видов керамических изделий, позволяющих снизить материалоемкость и затраты топливно-энергетических ресурсов. Основанием таких разработок является также увеличение стоимости топлива, сокращение запасов высококачественного глинистого сырья и повышение эксплуатационных требований к стеновым материалам.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности стеновой керамики является снижение плотности за счет создания пористой структуры материала.
В настоящее время уменьшение плотности стеновых керамических материалов до 800 - 1200 кг/м достигается за счет увеличения пустотности изделий, а также введения выгорающих добавок в состав керамической массы.
Однако, предел прочности при сжатии кладки из высокопустотных керамических материалов, выполненной даже на весьма прочном растворе, снижается на 60 - 70 % от предела прочности изделий. Причины такого снижения прочности заключаются в высокой пустотности изделий, размерах и форме пор, а также в расклинивающем действие кладочного раствора, частично затекающего в пустоты и вызывающего растягивающие напряжения в изделиях.
Производство высокопористых стеновых и теплоизоляционных керамических изделий средней плотностью менее 800 кг/м на основе легкоплавкого глинистого сырья, несмотря на их высокие теплозащитные свойства, не получило должного распространения. Причина этого заключается в отсутствии теоретического обоснования процесса поризации
керамической массы, разработанной технологии и соответствующего оборудования.
Решение задачи повышения эффективности стеновых керамических материалов связано с получением пористой структуры пенокерамических материалов на основе легкоплавких глин и оптимизацией технологических параметров, позволяющих получить изделия с высокими эксплуатационными свойствами.
Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГСУ на 2002 -2004 гг.
Цель и задачи. Целью диссертации является разработка научно обоснованных параметров технологии получения пенокерамических стеновых и теплоизоляционных изделий средней плотностью 450 - 850 кг/м3 на основе легкоплавких глин.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-обосновать возможность получения пенокерамических стеновых и теплоизоляционных изделий на основе легкоплавких глин методом вспенивания глинистого шликера;
исследовать физико-химические и технологические свойства распространенных легкоплавких глинистых пород с целью получения на их основе пенокерамических изделий;
исследовать особенности формирования коагуляционной структуры глинистого сырья и возможность использования коагуляционных процессов для регулирования свойств пеномассы;
исследовать влияние основных технологических параметров на структуру и свойства пенокерамических материалов;
разработать оптимальные составы керамических масс, исследовать влияние различных корректирующих добавок на физико-технические свойства пенокерамических материалов;
провести опробование результатов исследований в опытно-промышленных условиях;
разработать основные технологические параметры производства пенокерамических изделий и его принципиальную технологическую схему.
Научная новизна работы:
разработаны научно-практические основы коагуляционной технологии пенокерамических стеновых и теплоизоляционных изделий средней плотностью 450 - 850 кг/м3 и пределом прочности при сжатии 3-9 МПа на основе легкоплавкого глинистого сырья;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения пенокерамических изделий на основе легкоплавких глин путем регулирования процессов коагуляции глинистой составляющей в поризованной керамической массе, позволяющих сформировать устойчивую сырцовую структуру, интенсифицировать процесс сушки и получить бездефектные изделия;
установлены основные закономерности способности легкоплавких глин различного минералогического состава к образованию коагуляционных структур;
установлено влияние компонентного состава пенокерамических масс на физико-технические свойства изделий и выявлено их оптимальное соотношение;
установлены основные особенности процессов подготовки исходных компонентов, поризации керамической массы, сушки и обжига пенокерамических изделий и выявлены оптимальные параметры этих процессов для получения пенокерамических изделий с высокими показателями технико-эксплуатационных свойств.
Практическое значение работы:
- установлена возможность использования способности глинистого
сырья к коагуляции для интенсифицирования процесса сушки, уменьшения
осадки пеномассы, снижения времени нахождения ее в формах, что
позволяет отказаться от применения гипса, а также большого количества других вяжущих веществ в качестве стабилизирующих структуру добавок;
разработаны компонентные составы исходных керамических масс и основные технологические параметры изготовления пенокерамических стеновых и теплоизоляционных изделий средней плотностью 450-850 кг/м3, пределом прочности при сжатии 3-9 МПа, теплопроводностью 0,12-0,17 Вт/(м С) и морозостойкостью более 50 циклов на основе легкоплавкого глинистого сырья;
разработано новое устройство для приготовления пены, основные преимущества которого заключаются в том, что кратность получаемой пены составляет 50 - 150, расход пенообразователя снижается в 2,3 - 3,3 раза, влажность шликерной массы после вспенивания уменьшается на 4-7 % в зависимости от заданной средней плотности изделий;
разработан способ изготовления керамических изделий, который заключается в том, что в состав исходной керамической массы добавляется распушенный картон, подобрано оптимальное содержание этой добавки, которое составляет 0,5 - 1,0 % по массе сухого вещества, в результате чего значительно увеличилась трещиностойкость изделий при сушке;
осуществлен выпуск опытно-промышленной партии пенокерамических изделий на Обольском керамическом заводе с использованием разработанного лабораторного и промышленного оборудования;
разработана принципиальная технологическая схема производства пенокерамических изделий с указанием возможного применения серийного оборудования и оборудования, которое необходимо разработать.
Достоверность результатов исследований обеспечена использованием действующих государственных стандартов, нормативных документов и поверенного оборудования, применением современных методов исследований (химического, рентгенофазового, дериватографического, оптико-микроскопического, электронно-микроскопического, грануло-
метрического, дилатометрического и термического анализов) и физико-механическими испытаниями, повторяемостью результатов при большом объеме экспериментов, проверкой результатов лабораторных исследований в опытно-промышленных условиях.
Апробация работы. Результаты исследований доложены:
на международной конференции по проблемам строительных материалов и конструкций (Белосток, Белостокский политехнический институт, 2003 г.);
на научно-технической конференции "Развитие теории и технологии в области футеровочных, изоляционных и отделочных материалов" (Москва, МГСУ, 2003 г.);
на научно-техническом кафедральном семинаре (Москва, МГСУ, кафедра технологии отделочных и изоляционных материалов, 2005 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ и поданы 2 заявки на изобретения: № 2005104746/15(006073) от 22.02.2005 "Устройство для приготовления пены"; № 2005110434/20(012224) от 12.04.2005 "Способ изготовления керамических изделий".
На защиту выносятся:
методика исследования коагуляционной способности глинистого сырья, необходимая при разработке технологии пенокерамических материалов;
основные технологические параметры и составы керамических масс для изготовления пенокерамических изделий;
результаты исследований способности глинистого сырья различного минералогического состава к образованию коагуляционных структур;
основные закономерности формирования технологических и физико-технических свойств пенокерамических материалов;
результаты опробования исследований в опытно-промышленных условиях.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 213 страниц состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 128 страниц печатного текста, 55 рисунков, 20 таблиц, библиографический список, включающий 139 наименований на 13 страницах и три приложения на 13 страницах.
Автор выражает глубокую признательность канд. техн. наук В.А.Езерскому, канд. хим. наук В.П.Варламову и другим сотрудникам института ВНИИстром им. П.П.Будникова за оказанную помощь в процессе работы над диссертацией.
Применение стеновых изделий с пониженной плотностью
В жилищном и промышленном строительстве широко используются как плотные, так и пористые материалы. Например, наряду с плотными бетонами разработаны и применяются ячеистые бетоны [6; 10; 35; 39; 61; 87; 106; ПО, 111], наряду с плотными гипсовыми изделиями - пеногипсовые [13; 105; 107]. В производстве же стеновых керамических материалов до сих пор производится только кирпич плотной структуры, с тем или иным количеством крупных пустот [7; 131].
Выпуск стеновых материалов требуемого качества с меньшими материальными затратами обеспечит снижение себестоимости, а также даст возможность увеличить объем выпуска продукции за счет сэкономленного сырья, материалов и топлива.
В производстве керамических стеновых материалов мероприятиями, позволяющими наиболее значительно снизить уровень материалоемкости, является совершенствование технологии изготовления изделий, укрупнение их размеров и снижение плотности при сохранении проектной марки, использование эффективных местных материалов, вторичного сырья и т.д.
Расчеты показывают, что в настоящих условиях, когда термическое сопротивление стеновых ограждений повышено в 2,5 - 3 раза, при средней плотности стеновых материалов 900 - 1100 кг/м уже невозможно сохранить ранее существовавшую толщину стены для Московской области и аналогичных районов в 2,5 кирпича (64 см). Необходимо, либо значительно увеличивать толщину стены, либо применять более эффективные утеплители.
При применении полнотелого кирпича в строительстве для обеспечения теплозащитных свойств зданий необходимо возводить стены толщиной более 1,5 м. Такие стены обладают избыточной массой и прочностью, что особенно неэффективно при малоэтажном строительстве.
Один из вариантов решения данной проблемы - снижение средней плотности стенового материала.
Экономическая эффективность за счет снижения плотности стеновой керамики с 1600 - 1800 кг/м до 900 - 1100 кг/м по различным данным [4; 14; 16; 26; 31; 64] характеризуется следующими цифрами: материалоемкость производства снижается в 1,4 - 1,6 раза; расход топлива при производстве кирпича можно уменьшить на 15-25%; энергозатраты на возведение 1 квадратного метра наружной стены снижаются в 1,9 раза; затраты ручного труда снижаются почти в два раза; в зависимости от принятой толщины стены, повышается сопротивление теплопередачи в стенах зданий и т.д. Таким образом, проблема снижения плотности керамических изделий не стоит обособленно от экономической эффективности. Приведенные выше цифры, а также мнение специалистов это подтверждают.
Когда речь идет о снижении плотности стеновых изделий невозможно не отметить снижение эксплуатационных затрат, значительная часть которых приходится на отопление зданий. В связи с устойчивым ежегодным ростом мировых цен на топливо повышение теплозащитных свойств стеновых керамических материалов является задачей первостепенной важности.
Э.С.Василевская и Д.С.Петров [22] высказывают следующее мнение: "...в условиях энергетического кризиса и резкого увеличения цен на энергоносители интерес к качеству теплоизоляции ограждающих конструкций на рынке недвижимости, будет возрастать. Таким образом, энергоэффективность становится основным параметром, определяющим потребительскую стоимость отапливаемого объекта, с нормируемым микроклиматом помещений. Фирмы, подтвердившие теплотехнические параметры своей продукции наличием энергетического паспорта, в котором отражены результаты натурных обследований всего объекта, повысят свою конкурентоспособность на рынке недвижимости...".
На необходимость снижения плотности керамических материалов для достижения экономии затрат на отопление зданий в период их эксплуатации указывается также многими другими авторами [26; 48; 67; 125; 127; 131].
Последующее за этим значительное повышение требований по теплозащите стеновых ограждений подтверждает правильность позиций авторов указанных источников.
Выбор объектов для проведения экспериментальных исследований
Глинистая порода Грудиновского месторождения. По данным макроскопического анализа глинистое сырье светло-коричневого цвета. По структуре характеризуется как крупнодисперсное, по текстуре -беспорядочное (крупнокомковатое). При взаимодействии пробы с 10 %-м раствором соляной кислоты происходит бурное вскипание, свидетельствующее о присутствие в глинистом сырье карбонатных включений.
По химическому составу глинистая порода относится к группам полукислого сырья, с высоким содержанием красящих окислов и со средним содержанием свободного кварца (табл. 2.2).
Минералогический состав глинистого сырья по данным дериватографического и рентгенофазового анализов (рис. 2.1) представлен в табл. 2.3. По минералогическому составу глинистое сырье относится к группе полиминеральных глин. Глинистые минералы в породе представлены гидрослюдой (30 %), монтмориллонитом (20 %), каолинитом (12 %) и хлоритом (2 %).
По количеству и размеру крупнозернистых включений глинистое сырье относится к группам соответственно с высоким содержанием и со средними включениями (табл. 2.4). По содержанию тонкодисперсных фракций порода относится к группе среднедисперсного глинистого сырья (табл. 2.5). Удельная поверхность глины составляет 54 м /г. По пластичности глинистое сырье относится к группе среднепластичных глин (табл. 2.6). По чувствительности к сушке глинистое сырье характеризуется как малочувствительное (П 180 с). По температуре и степени спекания порода относится к группам низкотемпературного спекания и неспекающегося глинистого сырья соответственно. По огнеупорности глина относится к группе легкоплавкого сырья. Показатель огнеупорности составляет 1133 С.
Глинистая порода месторождения Хор-Хор. По данным макроскопического анализа глинистое сырье коричневого цвета. По структуре характеризуется как крупнодисперсное, по текстуре -беспорядочное (плотное с крупнокомковатой отдельностью). При взаимодействии пробы с 10 %-м раствором соляной кислоты происходит бурное вскипание, что свидетельствует о присутствие в глинистом сырье карбонатных включений.
По химическому составу глинистая порода относится к группам полукислого сырья, с высоким содержанием красящих окислов и со средним содержанием свободного кварца (табл. 2.2).
Минералогический состав глинистого сырья по данным дериватографического и рентгенофазового анализов (рис. 2.2) представлен в табл. 2.3. По минералогическому составу глинистое сырье относится к группе полиминеральных глин. Глинистые минералы в породе представлены гидрослюдой (25 %), монтмориллонитом (20 %), каолинитом (15 %) и хлоритом (3 %).
По количеству и размеру крупнозернистых включений глинистое сырье относится к группам соответственно с высоким содержанием и с мелкими включениями (табл. 2.4). По содержанию тонкодисперсных фракций порода относится к группе среднедисперсного глинистого сырья (табл. 2.5). Удельная поверхность глины составляет 51,5м /г. По пластичности глинистое сырье относится к группе среднепластичных глин (табл. 2.6). По чувствительности к сушке глинистое сырье характеризуется как малочувствительное (П 180 с).
По температуре и степени спекания порода относится к группам среднетемпературного спекания и неспекающегося глинистого сырья соответственно.
По огнеупорности глина относится к группе легкоплавкого сырья. Показатель огнеупорности составляет 1154 С.
Глинистая порода месторождения Джебел. По данным макроскопического анализа глинистое сырье от светло-коричневого до коричневого цвета. По структуре характеризуется как крупнодисперсное, по текстуре - беспорядочное (комковатое). При взаимодействии пробы с 10 %-м раствором соляной кислоты происходит бурное вскипание, что свидетельствует о присутствие в глинистом сырье карбонатных включений.
Применение коагуляционных процессов в технологии пенокерамических материалов
Коагуляционная технология пенокерамических изделий включает следующие переделы: роспуск исходной глины в шликер, при этом в глину вводится необходимое количество воды и добавки электролитов; добавление при необходимости отощающих добавок; приготовление из раствора ПАВ пены; поризация шликерной массы с введением оптимального количества добавок коагулянтов; формование изделий способом заливки поризованной массы в формы; подсушка до момента стабилизации структуры; распалубка изделий; сушка до остаточной влажности 5 - 6 %; обжиг изделий. На каждом этапе процесса получения пенокерамических изделий необходимо создать соответствующие условия, которые задаются составом смеси и технологическими параметрами.
На первом этапе необходимо создать условия для протекания процесса диспергации исходных глинистых агрегатов, позволяющие создать устойчивую водную суспензию глины, обладающую достаточно высокой текучестью. Это достигается введением добавок электролитов. Известно, что в основе механизма разжижающего действия силиката натрия на глину лежит способность распадаться с образованием коллоидной кремниевой кислоты, т.е. полисиликатных анионов. Последние адсорбируются поверхностью глинистых частиц, а освобождающаяся в ходе процесса вода разжижает шликер [63].
Необходимо отметить, что до трети электролитов, используется на уменьшение жесткости водопроводной воды. В используемой воде на процесс разжижения оказывает влияние в основном наличие ионов кальция и магния, определяющих ее жесткость, и сульфат-ионов, из-за довольно высокой растворимости сульфата кальция. Названные ионы обладают сильной коагулирующей способностью и отрицательно влияют на эффективный роспуск глинистого сырья. Однако, предварительно умягчать воду не имеет смысла, так как сода и жидкое стекло делают это уже во время технологического процесса.
На втором этапе полученной суспензии необходимо придать пористую структуру. Степень поризации определяется видом и количеством введенного пенообразователя, подвижностью (текучестью) смеси и параметрами вспенивания. Смешивание пены и шликера производится в тихоходном смесителе, чтобы не происходило выхода воздуха из пеномассы.
На следующем этапе необходимо создать условия для протекания процесса коагуляции глинистых частиц с последующим образованием устойчивой пространственной структуры. Коагуляция достигается введением в массу добавок коагулянтов. Она начинается сразу после добавления коагулянта и продолжается после заливки поризованной шликерной массы в формы. Эксперименты показали, что наибольшей эффективностью для этих целей обладают добавки кальцийсодержащих компонентов.
Начало интенсивной коагуляции должно происходить таким образом, чтобы потеря текучести наступала после полной заливки форм. Таким образом, использование изложенного механизма позволит осуществить распалубку в течение небольшого времени и изделия при этом не будут деформироваться.
Следующим этапом является процесс сушки. В сравнении с традиционными керамическими материалами для пенокерамики начальный этап сушки является более сложным из-за низкой паропроницаемости изделий. По мере удаления влаги и увеличения паропроницаемости процесс сушки интенсифицируется.
При обжиге пенокерамических изделий не возникает проблем и его можно проводить более интенсивно по сравнению с традиционными керамическими материалами.
Согласно рабочей гипотезе диссертационной работы (разд. 1.4) необходимо исследовать способность глинистого сырья к образованию коагуляционных структур. Отсутствие коагуляционных способностей у исследуемого сырья не позволит осуществление вышеизложенного механизма по формированию устойчивой сырцовой структуры пенокерамического материала.
Процессы трещинообразования при сушке пенокерамических изделий
Свойства высушенных пенокерамических изделий исследуют при условии отсутствия в сырцовой структуре сушильных трещин. Причины образования трещин при сушке пенокерамических изделий заключаются в следующем:
1. В процессе сушки усадка изделия происходит вследствие перемещения его наружных слоев к центру, с другой, стороны пеномасса обладает адгезией к основанию формы. В начальный период сушки, когда структурная прочность изделия относительно мала, происходит её разрыв. Чем большая протяженность изделия, тем большее перемещение наружных слоев имеет место. Именно поэтому трещины, как правило, направлены перпендикулярно граням с наибольшими размерами.
2. Неравномерность распределения влаги по толщине изделия в процессе сушки вызывает неравномерность усадки различных его слоев. Сначала, когда изделие находится полностью в форме, испарение влаги происходит только с открытой поверхности. При распалубке снятием боковых стенок испарение влаги происходит с верхней и четырех боковых поверхностей. В результате у основания изделия образуется область с более высокой влажностью и, соответственно, более низкой усадкой. Вследствие этого на поверхности изделия возникают растягивающие, а у основания образца сжимающие напряжения, которые могут вызвать опасные деформации, коробление изделия или появление в нем трещин.
Использование способностей глинистого сырья к коагуляции повышает структурную прочность сырца в начальный период сушки, что в свою очередь позволяет осуществить распалубку изделий через 2-3 часа после начала сушки, и снизить вероятность появления трещин.
Во избежание появления опасных напряжений, возникающих из-за неравномерной усадки сырца, распалубка изделий осуществлялась способом предложенным фирмой "De Boer" (Нидерланды). Данный способ распалубки применяется в западной Европе при мягком формовании керамического кирпича и заключается в следующем. Формы, жестко закрепленные на конвейере, накрываются сверху пластинами-рамками. Конвейер переворачивает формы на 180 - таким образом, изделия оказываются на пластинах-рамках. Пустые формы направляются по этому же конвейеру на чистку и смазку.
Применение данного способа распалубки позволяет снизить вероятность образования области с повышенной влажностью у основания изделия, переместив ее ближе к центру, тем самым, уменьшив растягивающие и сжимающие напряжения.
Для улучшения сушильных свойств сырца нами был разработан способ изготовления керамических изделий, который заключается в том, что в состав исходной керамической массы добавляется распушенный картон в количестве 0,5 - 1,0 % по массе сухого вещества, в зависимости от физико-химических и технологических свойств глинистого сырья. Распушивание тарного картона осуществлялось в лабораторной молотковой мельнице "Agemac" (Испания) с числом вращения рабочего органа 1500 об/мин. Шликерная технология подготовки керамических масс позволяет равномерно вводить и распределять добавку распушенного картона.
Механизм действия добавки распушенного картона заключается в следующем. В результате распушивания картона образуется огромное количество тончайших волокон с максимальной длиной до 6 - 8 мм и толщиной 6-60 мкм (рис. 4.2). Равномерно распределенная в глине, волоконная масса служит как объемный армирующий компонент. Важным является тот факт, что волокна ориентированы в объеме изделия беспорядочно, то есть во всех возможных направлениях. Учитывая достаточно высокую прочность при растяжении волокон картона, эта добавка компенсирует растягивающие напряжения, и таким образом, препятствует образованию трещин.
Из перечисленных выше причин образования трещин следует что, чем больше усадка пенокерамических изделий (в ранее проводимых исследованиях [27; 28; 44] воздушная усадка составляла 15 - 20 %), тем выше вероятность появления многочисленных трещин, приводящих к недопустимо высокому проценту бракованных изделий. Для снижения усадочных явлений в керамические массы добавляли песок Обольского месторождения в количестве 10 - 20 % или 2 - 8 % опилок по массе сухого вещества.
