Введение к работе
Актуальность работы.
Повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий – одна из актуальнейших задач в современном строительном материаловедении, решаемая за счет разработки и освоения новых теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных, в том числе керамических, материалов. В последнее время сложилась особо острая потребность в новых энерго- и ресурсосберегающих керамических строительных материалах, обеспечивающих в процессе их производства значительное снижение расхода сырья и энергозатрат на сушку и обжиг, а также экономию энергоресурсов в процессе эксплуатации зданий и сооружений, возводимых с использованием этих материалов, обладающих повышенными теплозащитными свойствами.
Несмотря на то, что за рубежом освоен выпуск изделий с пустотностью до 62-68%, а доля выпуска пустотело-пористого кирпича и камней с плотностью 700-800 кг/м3 при теплопроводности менее 0,2 Вт/(м*оС) составляет до 50-80% от общего объема выпускаемого кирпича, в РФ их внедрение идет очень медленно и их доля составляет около 10-15% от общего объема выпускаемого кирпича. Проблема развития производства этих материалов связана с необходимостью привязки современных технологий к местному сырью, отсутствием однозначных требований к выбору сырья, научных и технологических основ их производства. Кроме того, нормируемая в РФ максимальная пустотность 42-55% теоретически позволяет значительно снизить среднюю плотность материала и теплопроводность, но в большинстве случаев не настолько, чтобы приблизиться к показателям теплопроводности, равным 0,14-0,18 Вт/(м*оС), достигаемым в стеновой керамике в других технически развитых странах.
Литературный обзор по новым видам пористой строительной керамики в стране и за рубежом позволяет сделать вывод, что их разработка и внедрение возможны по следующим направлениям. На кирпичном глинистом сырье - это конструкционная (плотностью 900-1200 кг/м3) и конструкционно-теплоизоляционная (500-900 кг/м3) высокопустотная пустотело-пористая керамика, теплоизоляционная (100-500 кг/м3) газо- и пенокерамика с использованием эффективных современных пено- и газообразователей. На керамзитовом сырье - это легкие и ультралегкие ячеистые керамические материалы, получаемые по технологии значительного вспучивания при термоударе пиропластического расплава.
В то же время, даже минимальная средняя плотность 700-750 кг/м3 и теплопроводность 0,15-0,18 Вт/(м*оС), достижимая в пустотело-пористых керамических материалах, для многих регионов РФ может оказаться недостаточной для обеспечения более жестких норм термического сопротивления, которые могут быть приняты в условиях дальнейшего углубления политики энергосбережения в строительстве. Поэтому усилия материаловедов должны быть направлены на разработку и внедрение более прогрессивных и более эффективных ячеистых керамических матералов.
Значительным преимуществом пено- и газокерамических материалов перед пустотело-пористой стеновой керамикой является их высокая пористость (до 95%), низкая средняя плотность от 100 кг/м3 и теплопроводность от 0,06 до 0,14 Вт/(м*оС). В ряде работ отмечена их высокая морозостойкость – свыше F200. Развитию их производства мешают следующие факторы: отсутствие точного определения понятий пено-, газо-, порокерамики и легких бетонов на обжиговой связке (БОС), так как в литературе имеются разночтения в этом вопросе; не разработаны базовые нормативные значения основных показателей их свойств; отсутствуют теоретические и технологические основы их производства; не проработана сырьевая база и требования к их выбору; не оптимизированы составы и технологические режимы их производства; необходима разработка ряда позиций технологического оборудования. По этой причине до настоящего времени, несмотря на высокие физико-механические свойства указанных материалов, их производство не получило широкого развития.
Анализ известных работ показал, что одним из резервов улучшения физико-механических, в особенности теплофизических свойств пористых и высокопористых керамических материалов, является регулирование их структуры и пористости. Этому вопросу в литературе уделено слишком мало внимания, и нет системных исследований. Не установлена возможность регулирования пористости эффектных керамических материалов, полученных на различных глинах, изменением составов и технологических факторов. Отсутствуют данные о влиянии структуры, в особенности структурных составляющих (пор, кристаллических новообразований и стеклофазы), на физико-механические и эксплуатационные свойства пористых и высокопористых керамических изделий; нет исходных данных и не разработана методология определения и расчета теплофизических свойств структурных составляющих, не изучено их влияние на теплофизические свойства ограждений из разработанных материалов. Не установлены зависимости изменения теплофизических свойств этих материалов при изменении соотношения их структурных составляющих.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма «Архитектура и строительство», и в рамках хозяйственных договоров с предприятиями Республики Татарстан и г. Казани.
Цель исследований: разработка научных и технологических основ управления структурой и свойствами при производстве пустотело-пористых и ячеистых (от 100 до 1200 кг/м3) энерго- и ресурсосберегающих конструкционных, конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных керамических материалов из типичных кирпично-черепичных и керамзитовых глин, модифицированных различными выгорающими и химическими добавками в виде вторичных продуктов промышленности и сельского хозяйства.
Для достижения цели в исследованиях были решены следующие задачи:
изучение и анализ опыта производства особо легких эффективных керамических материалов в стране и за рубежом и установление наиболее перспективных направлений их развития;
изучение сырьевой базы, анализ известных и разработка уточненных требований к выбору сырья и добавок для производства эффективной строительной керамики;
лабораторно-технологическая апробация производства эффективных керамических материалов на основе местных глин и наработка данных для формирования научных и технологических основ управления их свойствами и структурой;
разработка программного комплекса для исследования порового пространства и структуры разработанных материалов в системах «микропорырезервные порымакропоры» и «порыстеклофазакристаллические новообразования»;
разработка методики и программного комплекса для расчета теплопроводности пустотело-пористой и ячеистой керамики;
установление научно-обоснованных базовых нормативных требований к основным свойствам конструкционных, конструкционно-теплоизоляционных и теплоизоляционных ячеиcтых керамических материалов;
разработка методологии моделирования поведения пористой керамики в условиях эксплуатационной влажности и прогнозирования ее теплофизических свойств;
промышленная апробация результатов исследований.
Научная новизна
1. Разработаны научные основы управления структурой энерго- и ресурсосберегающей пустотело-пористой и ячеистой строительной керамики, базирующиеся на установленных закономерностях двухуровнего изменения параметров структуры: на макроуровне – регулированием порового пространства в системе «микропоры – резервные поры – макропоры», на микроуровне – регулированием структуры черепка в системе «поры – стеклофаза кристаллическая фаза». Сформулированы принципы интенсификации процессов формирования пористого черепка за счет комплексного введения в шихту выгорающих добавок растительного происхождения, легирующих Na- и Al-содержащих добавок и оптимизации режимов формования полуфабриката, обеспечивающих ускорение процессов высокотемпературного структурообразования.
2. Разработан программный комплекс «Структура», позволяющий для пустотело-пористой и ячеистой керамики определять динамику трансформации дифференциальной пористости черепка при изменении сложных составов шихт. На основе этого установлены закономерные взаимосвязи в системе «состав – поровое пространство – структура», полученные построением новых структурных моделей в системах «микропоры резервные поры макропоры», «поры-стеклофаза кристаллические новообразования» («Поры-СФ-Кр.Ф»). Это позволило разработать методологию изменения и управления структурой пористой керамики путем введения в состав шихт комплексных модифицирующих добавок, и на основе этого разработать технологию получения энерго- и ресурсосберегающих пустотело-пористых и ячеистых керамических материалов с высокими физико-техническими свойствами. Впервые расчетно-графическим методом на треугольных диаграммах показана возможность регулирования структуры керамики по перемещениям фигуративных точек и областей расположения «порового облака» и структурных составляющих черепка.
3. Разработан программный комплекс «База Теплопрогноз 1.0», обеспечивший расчет теплопроводности воздуха в порах в зависимости от их размеров и на основе этого расчет теплофизических свойств пустотело-пористых и ячеистых керамических материалов. Это позволило установить взаимосвязи в системе «состав – поровое пространство – структура – термическое сопротивление» и разработать методологию управления теплофизическими свойствами керамики при изменении ее состава, структуры и технологии. Установлено, что введение в состав шихт комплексных добавок и увеличение давления прессования полуфабриката позволяет управлять физико-техническими свойствами и производить энерго- и ресурсосберегающую пустотело-пористую и ячеистую керамику с высокими теплофизическими свойствами, из которых создавать эффективные ограждающие конструкции зданий и сооружений. Впервые расчетно-графическим методом на треугольных диаграммах показана возможность регулирования теплофизических свойств керамики по траекториям перемещениям фигуративных точек и областей расположения «термического сопротивления» с изменением состава шихт и давления прессования полуфабриката.
4 Лабораторно-технологическими и опытно-промышленными исследованиями установлены технологические основы целенаправленного регулирования структуры пустотело-пористой и ячеистой строительной керамики в системах «микропорырезервные поры макропоры» и «Поры стеклофаза – кристаллические новообразования» («Поры-СФ-Кр.Ф»):
– для пустотело-пористой керамики (ППК) путем изменения соотношения структурных составляющих в черепке за счет механо-химико-термической активации шихт на основе средне-, умеренно или малопластичных кирпично-черепичных глин и комплексных добавок, включающих выгорающие (опилки, шелуха гречихи, древесная пыль) и химические (гиббсит и подмыльный щелок);
– для высокопористых ячеистых изделий в виде керамзита шарообразной формы (КШФ), новых блочных высокопористых изделий вспученной керамзитокерамики (ВКК) и контактно-спеченной керамзитокерамики (КСКК), путем изменения соотношения структурных составляющих в черепке на основе бездобавочны активированных добавками хорошо-, средне или слабовспучиваемых керамзитовых глин, за счет использования комплексного эффекта «механо-химико-термической активации», увеличения авления при прессовании сырцовых шарообразных гранул до 5-25 МПа.
5 Выявлено, что при химико-термической активации обеспечивается дополнительное повышение пластичности шихт и оптимизация ее гранулометрии за счет введения мелкодисперсной гиббситсодержащей добавки и раствора подмыльного щелока (ПЩ), которые при обжиге обеспечивают дополнительное повышение марочности кирпича на 1-2 марки, за счет раннего формирования муллита, армирующего стеклофазу.
6. Разработана методология моделирования изменения теплофизических свойств пористой керамики в условиях различной эксплуатационной влажности. Путем имитационного моделирования увлажнения порового пространства черепка изучены особенности функционирования и взаимосвязи отдельных ее блоков, дана инженерная интерпретация модели. Анализ данных эксперимента позволил установить зависимости изменения теплофизических свойств пористой керамики от условий ее увлажнения.
7. Установлены научно-обоснованные базовые нормативные показатели прочности, водопоглощения и теплопроводности для ячеистых керамических материалов в интервале средней плотности от 100 до 1200 кг/м3. Для этого в расчетах введено новое понятие «коэффициента технологичности» в виде некоей константы, связывающей между собой изохорные зависимости изменения свойств ячеистой керамики и средней плотности, полученные авторами при различных технологиях.
8. Разработан новый класс особо легких керамических материалов в виде КШФ (150-300 кг/м3), блочных высокопористых изделий ВКК (197-800 кг/м3), КСКК (300-500 кг/м3) и технология их получения, основанная на эффекте значительного увеличения вспучиваемости при термоударе с 200-400оС до 900-1200оС сырцовых шарообразных гранул, сформованных при повышенных давлениях прессования 5-25 МПа. При этом ВКК получают синтезом технологии производства КШФ и керамического кирпича, где свежесформованные гранулы в виде свободной засыпки вспучиваются при обжиге в огнеупорных формах, а КСКК получают спеканием при обжиге в точках контакта обожженных гранул КШФ, пропитанных водными растворами Na- и Al-содержащих добавок. Разработан новый класс керамзита с повышенным выходом в товарной смеси песчаной фракции (до 35%), получаемой спеканием в печи глиняной мелочи шихты с частицами зол гидроудаления ТЭЦ, подаваемых во вращающуюся печь одновременно с сырцовыми гранулами.
Практическое значение
Разработана технология и представлены составы, обеспечивающие производство ресурсо- и энергосберегающих эффективных стеновых керамических материалов плотностью от 100 до 1200 кг/м3.
Впервые разработаны требуемые показатели средней плотности, пористости и предела прочности при сжатии черепка пустотело-пористых керамических стеновых материалов для изделий марок от 25 до 300, пустотностью от 13 до 55 % и средней плотностью от 600 до 1000 кг/м3, удовлетворяющих требованиям ГОСТ 530-95.
Разработана классификация способов производства и установлены базовые нормативные значения основных свойств для пено-, газо-, порокерамических материалов и легких бетонов на обжиговой связке (БОС).
Предложены формулы для расчета теплопроводности воздуха в порах заданного размера, новые редакции эмпирических формул теплопроводности, разработанные Некрасовым В.П., Власовым О.Е. и Кауфманом Б.Н.
Разработаны методики исследования порового пространства и структуры пористых керамических материалов, расчета и прогнозирования теплофизических свойств пористых керамических материалов.
Для экспресс-определения упругих свойств и прочности исследованных керамических материалов разработаны новые приспособления, устройства и способы неразрушающего контроля.
Внедрение результатов исследования
Результаты лабораторно-технологических исследований прошли апробацию путем выпуска опытно-промышленных и серийных партий энерго- и ресурсосберегающих пористых керамических материалов: на базе Арского ОАО «АСПК» по разработанной технологии (а.с. № 2240294) выпущена серийная партия пустотело-пористого кирпича марки «100» со средней плотностью 822-850 кг/м3 в количестве свыше 380 тыс. штук; на базе Арского ОАО «АСПК» и Казанского ДГУП ККСМ - опытно-промышленная партия пористого кирпича с модифицированной выгорающей добавкой (а.с. № 2177924); на Казанском заводе керамзитового гравия выпущены три партии керамзита: первая ультралегкий керамзит шарообразной формы (КШФ) с насыпной плотностью 226 кг/м3 и коэффициентом формы гранул, равным 1,05-1,15; вторая КШФ повышенной прочности за счет легирования смеси алюминийсодержащей добавкой (а.с. № 1291571); третья керамзитовый гравий пониженной насыпной плотности и с повышенным (до 35%) содержанием песчаной фракции (а.с. № 1447777 и № 1447778). Они показали, что использованные при этом разработанные научные и технологические основы управления структурой пористой керамики за счет механо-химико-термической активации шихт и регулирования параметрами технологии позволяют целенаправленно регулировать физико-технические свойства разработанных материалов, обеспечивая при этом энерго- и ресурсосбережение.
Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных исследований применяются в научно-исследовательских и дипломных работах, при подготовке аспирантов, соискателей и магистров, используются в учебном процессе при подготовке инженеров, архитекторов, дизайнеров и архитекторов-проектировщиков по специальностям 200300, 290100, 290200, 291200, что отражено в типовой программе дисциплины «Архитектурное материаловедение», «Материаловедение. Технология конструкционных материалов».
Апробация работы Основные положения диссертационной работы доложены на международных, республиканских и региональных научно-технических и научно-методических конференциях, представлены в статьях, тезисах, информационных листках, научно-технических разработках. В соавторстве с коллективом ученых кафедры строительных материалов КГАСУ автор трижды становился лауреатом Республиканского конкурса «Лучшее изобретение РТ», лауреатом международного конкурса изобретений «Казанская ярмарка изобретений - 2003».
Исследования в области производства энерго- и ресурсосберегающих керамических материалов входят в перечень республиканской программы развития строительной индустрии РТ, принятой Постановлением Кабинета Министров Республики Татарстан № 33 от 19.01.1996 г. «Об утверждении Приоритетных направлений структурной перестройки базы строительной индустрии Республики Татарстан в условиях рыночных отношений».
Под руководством автора подготовлено и защищено 2 диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05.
Вклад автора в разработку проблемы Автором осуществлено научное обоснование, разработка методик и программ теоретических и экспериментальных исследований; анализ и обобщение результатов исследований; разработка аналитических зависимостей; экспериментальные исследования в производственных условиях; патентование результатов исследований.
Публикации По материалам диссертации опубликовано 110 работ (в журналах по списку ВАК 11 статей), в том числе получено 5 патентов, 11 авторских свидетельств на изобретение, одно свидетельство Роспатента об официальной регистрации программы для ЭВМ, одно свидетельство об официальной регистрации базы данных.
Структура и объем диссертации
