Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния технологии изготовления пористых изделий 8
1.1. Значение пористости для строительных материалов различного назначения , 8
1.2. Современное состояние производства и применения высокопустотных и высокопористых стеновых керамических материалов 10
1.3. Анализ технологий пористой керамики 14
1.3.1. Метод выгорающих добавок 15
1.3.2. Метод пенообразования 20
1.3.3. Метод газовыделения 25
1.3.4. Введение пористых заполнителей и метод вспучивания 28
13.5, Применение природного сырья с развитой микропористостью 29
1.3.6. Специальные методы 31
Глава 2. Характеристики сырьевых материалов и методы исследований 35
2.1. Характеристики глинистого сырья и добавок ... 35
2.2. Подготовка сырьевых материалов и приготовление керамических масс 38
2.3. Методы исследований и испытаний опытных образцов 40
2.3,1. Методы определения характеристик сырья 40
2.3.2.Определение физико-механических свойств опытных образцов 43
2.3.3. Определение сушильных и обжиговых свойств опытных образцов 50
Глава 3. Получение пресс-материала и формование опытных образцов 54
3.1. Получение пресс-материала 54
3.2. Формование опытных образцов 58
3.3. Влияние влажности пресс-материала на характеристики опытных образцов 63
3.4. Исследования сушильных свойств сырца из пресс-материала 66
3.5. Исследование обжига образцов из пресс-материала 69
Глава 4 Исследования физико-механических характеристик опытных образцов 77
4.1. Основные характеристики опытных образцов из пресс-материала 77
4.2. Влияние добавок на характеристики опытных образцов 81
4.3. Макро и микроструктура опытных образцов 86
4.4. Теплопроводность образцов из пресс-материала .93
4.5. Определение нормального коэффициента звукопоглощения 102
4.6. Особенности лицевой поверхности образцов из пресс-материала 105
Выводы 107
Список использованной литературы 109
Приложение 123
- Современное состояние производства и применения высокопустотных и высокопористых стеновых керамических материалов
- Характеристики глинистого сырья и добавок
- Влияние влажности пресс-материала на характеристики опытных образцов
- Основные характеристики опытных образцов из пресс-материала
Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время получение высокопористых керамических материалов особенно актуально в свете новых требований СНиП II-3-79** «Строительная теплотехника» к термическому сопротивлению ограждающих конструкций.
В связи с ростом строительства общественных и производственных зданий актуальным также является получение новых акустических материалов. В случае достижения высоких акустических свойств значительным преимуществом керамического материала является обеспечение огне-, био-, водостойкости конструкции без проведения дополнительных мероприятий.
В технологии строительной керамики для повышения пористости черепка применяют практически все способы создания пористой структуры (введение выгорающих добавок, пенообразование, газообразование, высокое водозатворение и т.д.), используемые в технологиях теплоизоляционных материалов. Однако, массового распространения эти способы не получили по широкому ряду причин: низкий уровень технической вооруженности керамических заводов, неудовлетворительное качество сырья, технологические трудности промышленного производства.
Таким образом, необходимо проводить исследовательские и конструкторские работы по созданию новых технологий высокопористых керамических материалов.
Целью диссертационной работы является получение высокопористого керамического материала по принципу «создания волокнистого каркаса», обладающего теплозащитными и акустическими свойствами. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
разработать способ получения пресс-материала, состоящего из отдельных волокноподобных частиц;
разработать способ формования высокопористых изделий из пресс-материала;
исследовать особенности сушки и обжига высокопористого керамического материала;
изучить основные строительно-технические свойства полученного высокопористого керамического материала;
изучить поровую структуру обожженного высокопористого керамического материала;
Научная новизна работы:
экспериментально подтверждена возможность получения пресс-материала, представляющего собой не сплошную керамическую массу, частицы которой имеют форму «бесконечных» лент-жгутиков с размером поперечного сечения 1-2 мм, при помощи гофрированных валков. Для этой цели может быть использовано различное глинистое сырье, в том числе, малопластичное;
разработаны способы формования высокопористых керамических изделий из пресс-материала;
показано, что для сушки и обжига высокопористых керамических изделий могут использоваться скоростные режимы;
исследована структура и строительно-технические характеристики полученного высокопористого материала, определены возможные области его применения;
подобрана эмпирическая зависимость коэффициента теплопроводности от средней плотности высокопористого керамического материала.
Практическая ценность работы:
разработан высокопористый керамический материал с высокими теплофизическими и акустическими характеристиками;
предложена принципиальная технологическая схема производства высокопористых керамических изделий;
рассматриваемый способ получения керамических материалов устраняет существующую проблему формы и геометрических размеров в технологии диатомитовых керамических изделий.
Предмет защиты
На защиту выносятся:
способ получения пресс-материала;
способы формования высокопористых керамических изделий;
результаты исследований по проведению скоростных режимов сушки и обжига полученного керамического материала;
результаты экспериментальных исследований по изучению структуры и строительно-технических свойств высокопористого керамического материала;
эмпирическая зависимость коэффициента теплопроводности высокопористого керамического материала от его средней плотности.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием различного сырья, большим объемом экспериментальных данных, хорошим соответствием экспериментальных результатов, применением современных и стандартных методов исследований.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- Международной научно-практической конференции «Реконструкция
Санкт-Петербург- 2003», Санкт-Петербург, 2002;
- Международных 55, 56, 57 научно-технических конференциях
молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства»,
Санкт-Петербург в 2002, 2003, 2004 г.;
- Международных 59, 60, 61 научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов СПбГАСУ Санкт-Петербург в 2002,2003, 2004 г.;
На седьмой Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов в 2002 г. работа победила в конкурсе персональных грантов для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов в области технических наук, проводимом по распоряжению губернатора Санкт-Петербурга №1091-ра от 03.07.2002.
Публикации.
Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 8 научных статьях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений.
Работа изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 43 рисунка, 18 таблиц и список литературы, включающий 142 наименования.
Современное состояние производства и применения высокопустотных и высокопористых стеновых керамических материалов
Наиболее значимую роль пористость, как физическая характеристика материала, играет в теплоизоляционных и акустических изделиях. В первом случае при увеличении пористости, как правило, снижается коэффициент теплопроводности, во втором - повышается коэффициент звукопоглощения. Для максимального улучшения этих характеристик теплоизоляционные и акустические материалы выпускаются с пористостью 40-90%. На свойства изделий влияет не только количественное значение пористости, но и характер пористости.
Для теплоизоляционных материалов равномерное распределение воздушных пор в материале и характер пор имеет большое значение. Желательно создавать мелкие, равномерно распределенные поры-ячейки закрытого типа для уменьшения количества теплоты, передаваемой конвекцией и излучением. В закрытых порах воздух находится в спокойном состоянии и стабильнее выполняет роль теплоизолятора. В замкнутые поры не попадает вода (при обычных условиях насыщения), что очень важно для сохранения стабильных тешгофизических свойств и долговечности [19]. Стремление к замкнутой пористости отличает структуры теплоизоляционных материалов от структуры звукопоглощающих, которые должны иметь сообщающиеся, открытые поры. При падении звуковых волн на материалы с открытыми порами, соединяющимися между собой, звук поглощается за счет перехода энергии колеблющихся частиц воздуха в теплоту вследствие потерь на трение в звукопоглотителе [31].
В настоящее время с введением новых требований по теплотехнике ограждающих конструкций наиболее остро стоит вопрос об улучшении теплотехнических показателей стеновых изделий, в том числе строительной керамики.
Изменения №3 в СНиП П-3-79 «Строительная теплотехника» [118] привели к повышению требований к теплозащите ограждающих конструкций вновь строящихся и реконструируемых зданий (с 2000 г.) в 3-3,5 раза. Новые изменения направлены на снижение теплопотребления зданий на 20-30% [55]. Этот факт привел к необходимости увеличения толщины стены из полнотелого керамического кирпича во многих регионах до 2,42 м. Известно, что коэффициент теплопроводности воздуха (X = 0,023 Вт/м С), в десятки раз меньше коэффициента теплопроводности твердого тела, в том числе и керамики (0,8 Вт/м С) [31]. Поэтому увеличение пористости материала является основным способом уменьшения теплопроводности. Уменьшение теплопроводности материала позволяет улучшить теплотехнические характеристики конструкций из него. Наиболее распространенный способ повышения сопротивления теплопередачи стеновых керамических изделий - это повышение их пустотности. В Российской Федерации максимально возможная пустотность керамического кирпича и камня при соблюдении требований ГОСТ 530-95 [123] по размерам пустот и толщинам наружных стенок составляет приблизительно 42-45%. При таком проценте пустотности возможно получение изделий со средней плотностью 1150-1200 кг/м3. В климатических условиях Санкт-Петербурга и Ленинградской области однородная стена толщиной 770 мм из пустотелого керамического кирпича со средней плотностью 1150-1200 кг/м3 соответствует требованиям СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника» [75]. Но для использования в строительстве жилых зданий наружных кирпичных стен с меньшей толщиной (640 мм или 510 мм) необходимо значительное уменьшение средней плотности кирпича или камня (до 700-950 кг/м ) [76]. Единственный вариант дальнейшего снижения средней плотности пустотелых керамических стеновых материалов - это увеличение пористости черепка. Использование пористых стеновых материалов в строительстве позволяет повысить сопротивление теплопередаче стеновых конструкций, что даёт возможность значительной экономии тепловых и энергетических ресурсов, и снизить массу конструкций, тем самым уменьшить нагрузку на фундаменты. При формировании оптимальной пористой структуры в строительных материалах необходимо стремиться достичь максимальных значений пористости, получить оптимальные характеристики пористой структуры, чтобы улучшить функциональные показатели качества изделий, понизить теплопроводность без значительного снижения прочности, а также улучшить экономические показатели - материалоемкость и себестоимость. В настоящее время, в связи с бурным развитием индивидуального малоэтажного строительства повышается интерес к эффективным стеновым материалам, использование которых обеспечивает зданиям долговечность, комфортность и архитектурную выразительность. Однако, объем производства, номенклатура и качество изделий строительной керамики отстает от растущего спроса. В зарубежном строительстве уже в период 1973 по 1985 год были повышены требования по сопротивлению теплопередаче для всех наружных ограждающих конструкций в 3-4 раза. Применявшиеся в недавнем прошлом в многоэтажном крупнопанельном домостроении однослойные керамзитобетонные панели не удовлетворяли новым требованиям, предъявляемым к теплозащите зданий и сооружений. За рубежом, преобладает каркасное строительство, при котором конструкции наружных стен в основном выполняют функции теплозащитного ограждения. В связи с этим промышленность керамических стеновых материалов перешла на выпуск высокопустотных стеновых материалов.
Характеристики глинистого сырья и добавок
В работе использовалось глинистое сырье различных месторождений, отличающееся по технологическим характеристикам, химическому и минеральному составам: кембрийская и сенгилеевская глины, диатомит, бий-хемский суглинок. Такой выбор позволил достаточно представительно судить о возможности изготовления пресс-материала из различного сырья. Кембрийская глина получена из Чекаловского месторождения Ленинградской области. Цвет глины зеленоватый, текстура плотная. Глина относится к среднепластичному, тонкодисперсному сырью. По огнеупорности глина относится к легкоплавкому сырью. В химическом составе кембрийской глины наблюдается сравнительно невысокое содержание оксида кремния, повышенное содержание оксида алюминия и щелочных оксидов. Сенгилеевская глина получена из Сенгилеевского месторождения Ульяновской области. Цвет глины - желто-коричневый, текстура плотная. Глина относится к умереннопластичному, тонкодисперсному сырью. По огнеупорности глина относится к легкоплавкому сырью. Бий-хемский суглинок получен из Кызылского месторождения Республики Тыва. Цвет суглинка - темно-коричневый, текстура плотная. Суглинок относится к малопластичному, тонкодисперсному сырью с высоким содержанием песчаной фракции. Диатомит получен из Инзенского месторождения Ульяновской области. Цвет диатомита - светло-коричневый, текстура - плотная. Диатомит относится к среднепластичному, низкодисперсному сырью с высоким содержанием пылеватой фракции. В производстве традиционной строительной керамики широко используются различные виды добавок, которые позволяют отрегулировать характеристики конечного изделия, а также улучшить технологические свойства керамической шихты. По способу воздействия добавки подразделяются на: порообразующие, отощающие, интенсифицирующие спекание, пластифицирующие керамическую массу, регулирующие цвет изделий и др. В работе использовались следующие добавки: древесные опилки, зола ТЭС, зола сжигания остатков сточных вод (СОСВ), бой оконного стекла (стеклобой), кварцевый песок. Химический состав добавок представлен в таблице 2.1. Опилки получены поперечным пилением хвойных пород древесины. В работе Рогового М.И. [78] рекомендуется использовать опилки поперечного пиления, т.к. соблюдается постоянство гранулометрического состава и отсутствуют сложности в процессе струнной резки изделий. Влажность опилок -12%. Насыпная плотность- 130 кг/м . Крупность опилок - менее 0,63 мм. Зола ТЭС Зола гидроудаления Ульяновской ТЭС представляет собой грубодисперсный порошок серо-черного цвета с насыпной плотностью 680 кг/м . Зола ТЭС отличается высокими потерями при прокаливании, что представляет интерес с точки зрения выгорания при обжиге. Зола сжигания осадков сточных вод (СОСВ) Зола является отходом переработки осадков сточных вод. Получена на Центральной станции аэрации на о. Белом (г. Санкт-Петербург). По химическому составу зола представляет собой кислое сырье с содержанием органики до 3,25%. Зола СОСВ, легкоплавкая, температура плавления (970 С) [109]. Насыпная плотность - 780 кг/м3. Глины высушивались в лабораторном сушильном шкафу при температуре 105-110 С, затем дробились на щековой дробилке и размалывались в шаровой мельнице (рис 2.1.), Далее глины просеивались через стандартное сито № 0,63 , остаток на сите снова направлялся на помол до полного прохождения всей массы через сито. Подготовка добавок Все добавки высушивались в лабораторном сушильном шкафу при температуре 105-110С. После сушки, добавки размалывались в лабораторной шаровой мельнице до полного прохождения через сито № 0,63, Опилки просеивались без дробления через стандартное сито № 0,63. Все компоненты керамической шихты до использования хранились в закрытых емкостях. Большая часть экспериментов проведена с использованием чистого глиняного сырья. Составы керамических масс с добавками приведены в главе 4. В исследованиях режимов сушки и обжига в качестве эталонной (для сравнения) использовалась шихта, состоящая из 70% кембрийской глины и 30% кварцевого песка. Керамическая шихта такого состава в настоящее время используется для получения строительной керамики на многих кирпичных заводах Северо-Западного Регина РФ: ЗАО НПО «Керамика», ЗАО «Победа», ОАО «Ленстройкерамика». Далее по тексту она называется «эталонной».
Сухие, отдозированные по массе компоненты, перемешивались в течение 10 минут в лабораторном гравитационном смесителе С-2.0. (рис.2.2), который совершает сложные пространственные движения. Готовая смесь (глина) высыпалась в чашу, и малыми порциями в процессе перемешивания подавалась вода. Перемешивание производилось до тех пор, пока масса не приобретала необходимую формовочную влажность.
Влияние влажности пресс-материала на характеристики опытных образцов
Теплопроводностью называют свойство материала передавать теплоту от одной поверхности к другой. Это свойство является главным, как для большой группы теплоизоляционных материалов, так и для материалов применяемых для устройства наружных стен зданий [19].
По мнению Горчакова Г.И., Лифанова И.И. и др. [68] основными факторами, от которых зависит теплопроводность материалов, являются: вид и структура основного вещества, плотность и характер пористости, влажность и температура.
По мнению Франчука А.У., Мискара А,, Кауфмана Б.Н. основным фактором, определяющим теплопроводность материала, является его пористость. Теплопроводность пористых материалов зависит от объема пор, их вида и характеристик пористой структуры [36, 56, 97].
Некрасовым В.П., Кауфманом Б.Н., Власовым О.Е. [10,36,57] разработаны и предложены эмпирические формулы для определения коэффициента теплопроводности неорганических материалов, которые рекомендуются для широкого круга строительных материалов, в том числе пористых керамических изделий. В работе Китайцева В.А. [39] показана зависимость значения коэффициента теплопроводности от средней плотности для диатомитовых изделий. Эмпирические формулы Некрасова В.П., Кауфмана Б.Н., Власова О.Е. и Китайцева В.А. представлены в таблице 4.7. В работах Оделевского В.И. [60], Дульнева Г.Н. и Заричняка ЮЛ. [28] предложены расчетные формулы определения коэффициента теплопроводности для композиционных материалов. В работе Allcut Е.А. [136] проведены исследования зависимости теплопроводности стекловаты, минеральной ваты, пенополистирола и пробки которые показали, что для волокнистых и ячеистых материалов при плотности, меньшей определенного для каждого материала значения, с уменьшением плотности имеет место увеличение коэффициента теплопроводности. Причина этого - увеличение радиационного теплового потока через пористый материал при снижении его плотности. Allcut Е.А. [136], Fishenden М. [137] , Vershoor J.D. [140] теоретически доказали и экспериментально подтвердили, что для волокнистых материалов с диаметром волокна, равным нескольким микронам, а также для ячеистых материалов с диаметром пор, равным нескольким микронам, то есть для современных эффективных теплоизоляционных материалов при давлении газов в порах, не превышающим значительно атмосферное давление, и при температуре газа в порах, не превышающей 80 С, конвекционная составляющая теплопроводности газов в порах много меньше, чем кондукционная составляющая теплопроводности этих газов. Туе R. P. [139] предложил эмпирическую формулу для описания зависимости коэффициента теплопроводности X волокнистых и ячеистых эффективных теплоизоляционных материалов от плотности Yo : где А, В и С - эмпирические константы, со следующей физической интерпретацией слагаемых: - А - часть тепла, проходящего за счет кондукционного теплопереноса через газ находящийся в порах материала, от общего потока тепла через материал; - Ву0- часть тепла, проходящего за счет кондукционного тепломассопереноса через матрицу материала, от общего потока тепла через материал; - С/ уо- часть радиационного теплового потока от общего потока тепла через материал. В работе Киселева И.Я. (НИИ Строительной физики) [38] приведен пример расчета коэффициента теплопроводности минераловатной плиты по формуле Туе R. Р. (4-1). На основании которой, была определена та минимальная плотность плиты (утіп=75,3 кг/м3), при которой она обладает минимальным коэффициентом теплопроводности (Хтаг: 0,0339 Вт/мС). Приведенный обзор позволяет произвести сравнение экспериментальных данных коэффициента теплопроводности образцов из пресс-материала с существующими расчетными формулами. Определение коэффициента теплопроводности опытных образцов Измерение коэффициента теплопроводности проводилось на образцах, изготовленных из кембрийской глины и диатомита. Полученные результаты для образцов из кембрийской глины и диатомита представлены на рис.4.10. и 4.13. Как следует из рисунка 4. і 0, оптимальной плотностью образцов с точки зрения тешгофизических свойств является плотность 1000-1100 кг/м3, коэффициент теплопроводности при этом равен 0,17-0,18 Вт/мС. При этих плотностях прочность при сжатии образцов составляет 4,6-5,0 МПа (рисАЛ). Наличие таких теплофизических и прочностных характеристик дает возможность использовать высокопористый керамический материал в качестве теплоизоляционно-конструкционного в самонесущих ограждающих конструкциях. В настоящее время для применения в этой области керамических материалов, на заводе ЗАО «Победа» (Санкт-Петербург) организован выпуск поризованного крупноформатного керамического блока размерами 380x250x219 мм, со средней плотностью 750 кг/м3, коэффициентом теплопроводности 0,14 Вт/мС и маркой по прочности М35 [44], Повышение коэффициента теплопроводности при более низких плотностях связано, по-видимому, с заметным увеличением размеров пор (см. табл. 4.4 и рис.4.5), что усиливает конвекционную составляющую теплопередачи.
Основные характеристики опытных образцов из пресс-материала
На рис. 4.14 для сравнения представлены также нормальные коэффициенты звукопоглощения следующих материалов [31]: - акустического фибролита (средняя плотность 350 кг/м , толщина 35 мм); - минераловатной плиты ПП-80 (средняя плотность 80 кг/м, толщина 25 мм); - стиропора на основе полистирольной смолы (средняя плотность 87 кг/м , толщина 15 мм); керамического блока (средняя плотность 1400 кг/м3, толщина 380 мм). Как видно из рис. 4.14, значения коэффициента звукопоглощения керамических образцов из пресс-материала при всех частотах, превышают в 2-2,5 раза показатели ао керамических блоков. При частотах менее 500 Гц и более 1500 Гц опытные образцы средней плотности 950-1100 кг/м3 имеют коэффициенты звукопоглощения, превышающие значения таковых у традиционных звукопоглощающих материалов: акустического фибролита и стиропора. Лучшими показателями звукопоглощения при частотах более 250 Гц обладает минераловатная плита ПП-80, Однако, применение минеральной ваты усложняется необходимостью устройства оболочки, препятствующей высыпанию мелких волокон и защиты от механических повреждений при помощи перфорированных покрытий (в соответствии с ГОСТ 23499-79 [126]). На основании полученных результатов, опытный керамический материал плотностью 950-1100 кг/м в соответствии с ГОСТ 23499-79 [126] можно отнести к классу звукопоглощающих материалов, т.к. коэффициент звукопоглощения испытанных образцов превышает значение 0,2 и использовать в целях снижения уровня звукового давления в помещениях производственных и общественных зданий. Для этих целей из пресс-материала могут быть изготовлены плиты для отделки стен и перегородок, которые могут выполнять одновременно декоративные и акустические функции. Фрагмент кладки плит размером 200x200x50 мм представлен на рис.4.15. К акустическим материалам предъявляются повышенные требования по огнестойкости, водостойкости и биостойкости [100]. По этим характеристикам керамические изделия из пресс-материала обладают значительным преимуществом над традиционными акустическими материалами (плиты «Акминит», «Акмигран», фибролит, минераловатные плиты и т.д.). Поверхность звукопоглощающих материалов, применяющихся в отделке общественных зданий должны иметь также декоративную поверхность и разнообразную фактуру. В настоящее время для получения широкой цветовой гаммы керамического кирпича используются добавки в исходную массу в виде оксидных пигментов титана, хрома, кобальта, никеля и т.д. в количестве 3-6 мас.% [ПО]. Применение добавок подразумевает однородное их распределение в массе, что, естественно, приводит к равномерному окрашиванию конечного продукта. Например, этот способ окрашивания применяется для получения цветных видов кирпича на заводах ЗАО НПО «Керамика», ЗАО «Победа» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Керамин» (г. Минск). Фактура керамического кирпича задается при формовании с помощью применения рифленого мундштука в ленточном прессе, накатыванием рисунка валиками на сырец, сколом части поверхности и т.д.
Для неравномерного распределения цвета по поверхности керамических изделий Устьянов В.Б. в своей работе [114] предложил использовать глиняные гранулы различного цвета, полученные формованием на вакуум-прессе, снабженном перфорированной решеткой. Разнообразие рисунка достигается варьированием среднего диаметра (5-20 мм) и цвета гранул. Использование разноцветных гранул позволило получить пеструю декоративную поверхность непосредственно после прессования, т.е. без специального вскрытия структуры.
Предлагаемая нами технология изготовления керамических изделий из пресс-материала позволяет получать волокнистый рельеф и неоднородно окрашенный цвет поверхности.
Для получения неоднородно окрашенной поверхности изделий при изготовлении пресс-материала применялись готовые массы, взятые на кирпичном заводе ЗАО НПО «Керамика». Эти массы используются для получения фактурного слоя кирпича различного цвета.
Пресс-материал из различных масс получали по технологии описанной в п.3.1. Отформованный пресс-материал перемешивался вручную, после чего производилось формование образцов способом одностороннего прессования. На рис А16 представлены полученные образцы.
