автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка технологии изготовления стеновых порокерамических элементов плотностью 300-800 кг/м3 на базе легкоплавких глин Северокавказского региона

од

На правах рукописи

ТАМОВ Мухадин Чашифович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕНОВЫХ ПОРОКЕРАМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛОТНОСТЬЮ 300-800 КГ/.М3 НА БАЗЕ ЛЕГКОПЛАВКИХ ГЛИН СЕВЕРОКАВКАЗСКОГО РЕГИОНА

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (НИИЖБ) Госстроя России и ООО фирме "ТАМЭ-

МММ" Ltd.

Научный руководитель - доктор технических наук,

заслуженный строитель РФ, Звездов А.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

Еворенко Г.И. - кандидат технических наук, Пономарев О.И.

Ведущая организация - ЦНИИЭПСельстрой

Защита состоится «_ ¿Р » Ш//Л _1998 г. в часов

на заседании Диссертационного Совета К.033.03.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук в Научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона (НИИЖБ) по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская ул. дом 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЖБ.

Автореферат разослан «_

№ » имЛ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Г.П.Королева

Актуальность работы

В последнее время сложилась острая потребность в новых стеновых материалах, обладающих повышенными теплозащитными свойствами. Постановлением Минстроя РФ № 18-81 от 11.08.95 г. принято и введено в действие изменение № 3 к СНиП Л-3-79хх "Строительная теплотехника" об увеличении термического сопротивления теплопередаче Ю" на первом этапе (с 1.10.95 г.) в 1,5 раза, а на втором этапе (с 1.01.2000 г.) в 2,5 раза. В связи с этим широко выпускаемые отечественной промышленностью стеновые материалы, такие как глиняный обжиговый и силикатный кирпич и даже легкие бетоны, не могут обеспечить повышенных требований по теплозащите помещений без значительного увеличения толщины стен.

Как отмечено выше, новые строительные нормы предусматривают резкое увеличение теплозащиты зданий. Решение этой задачи возможно несколькими путями. Основополагающий из них включает разработку и освоение новых конструкционно-теплоизоляционных материалов и конструкций, способных обеспечить требуемый уровень теплозащиты при сохранении прежних проектных решений зданий. Поэтому в последние годы все большее число исследований посвящено разработке новых технологий, обеспечивающих получение материалов с пониженной теплопроводностью и использование их в новых конструктивных решениях стен.

Примером такого материала может служить конструкционно-теплоизоляционная порокерамика (ПК) - перспективный материал с высокими физико-механическими показателями, термосопротивляемостью, огнестойкостью. Существует возможность изготовления ПК с плотностью от 250 до 1000 кг/м3 в зависимости от назначения материала в конструкциях. Например, эффективно использование теплоизоляционной ПК в наружных ограждающих панелях в качестве термовкладышей, а конструкционно-теплоизоляционной ПК - в самонесущих стенах гражданских и жилых зданий, в том числе малоэтажных и усадебного типа.

Целью работы является разработка технологии получения эффективных теплоизоляционных и консгрукцонно-теплоизоляционных порокерамических изделий из шихты на основе глин Северо-Кавказского региона для стеновых ограждающих

конструкций, обладающих прочностью 1,0-10,0 МПа, экологической чистотой, негорючестью и повышенными теплозащитными свойствами, а также изучение их основных физико-механических, деформационных и теплотехнических характеристик.

На защиту выносятся:

-результаты оценки влияния химического состава шихты на свойства ПК;

- составы шихты на основе глин Северо-Кавказского региона России с добавками стекловидных плавней;

- оптимальные температурно-временные режимы обжига и охлаждения ПК;

- результаты выбора материала для изготовления термостойких форм;

- данные исследования фазового состава, структурных особенностей, общей и дифференциальной пористости ПК;

- результаты изучения физико-механических, теплотехнических и гидрофизических свойств ПК (прочность при сжатии, модуль упругости, коэффициент теплопроводности, сорбционная влажность, паропроницаемость, водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость);

- результаты опытного производства изделий из ПК;

- технико-экономические показатели эффективности от внедрения результатов научных исследований на производстве.

Научную новизну работы составляет комплексное решение задачи создания эффективных порокерамических элементов: стеновых блоков и теплоизоляционных плит, методом вспучивания шихты при скоростном высокотемпературном обжиге в специальных формах из новых термостойких материалов по определенному режиму термообработки, включающее в себя:

-данные об особенностях шихты на основе глин Северо-Кавказского региона и природных стекловидных плавней;

-специальные температурно-временные режимы скоростного обжига и остывания, обеспечивающие получение порокерамических изделий с повышенными эксплуатационными свойствами: низкой плотностью при достаточно высокой прочности и улучшенными теплозащитными свойствами;

-новые функциональные зависимости коэффициента вспучивания глин шихты и плотности ПК от температуры обжига и гранулометрического состава глинистого сырья;

-экспериментальные данные о физико-механических, деформационных и теплозащитных характеристиках ПК, в зависимости от ее состава и технологических режимов изготовления; -новые данные о влияние фазового состава и общей дифференциальной пористости на прочность и теплопроводность ПК, а также билогарифмические линейные зависимости площади пор от их периметра (фронтальный фактор), по которым можно оптимизировать технологический процесс получения ПК с заданными физико-механическими характеристиками; -предложения по материалу форм для обжига ПК, основанные на теоретических

исследованиях и практических экспериментах. Достоверность полученных результатов обеспечена тем, что экспериментальные исследования шихты, физико-механических и деформационных свойств ПК, а также материала для форм выполнены на основе современных методик, а их надежность в необходимых случаях оценена вероятностно-статистическими методами. Практическое значение работы заключается в том, что

-разработана и опробована в промышленном режиме технология изготовления стеновых порокерамических блоков плотностью 500-800 кг/м3 и теплоизоляционных плит плотностью 300-500 кг/м3 на базе глинистого сырья Черкесского месторождения, обладающих повышенными теплозащитными свойствами; - получен комплекс данных, необходимых для проектирования и изготовления ограждающих конструкций с применением порокерамических изделий плотностью 300-800 кг/м3;

-разработан технологический регламент на изготовление стеновых порокерамических

блоков прочностью 4,5-8,0 МПа и плотностью до 800 кг/м3; -расчетами показано, что применение порокерамических блоков плотностью 500-800 кг/м3 в стеновых конструкциях взамен традиционных материалов позволяет снизить

толщину стен в 1,5-3 раза, а применение теплоизоляционных плит-вкладышей плотностью 300-400 кг/м3 в кирпичной кладке или в трехслойных железобетонных панелях позволяет сократить толщину стен в 1,5-2 раза; - технико-экономическими расчетами доказана экономическая эффективность

применения порокерамических блоков в наружных стенах жилых зданий; -результаты работы используются на керамзитовом заводе фирмы "ТАМЭ-МММ" в г. Черкесске.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на II научно-практической конференции преподавателей и аспирантов Карачаево-Черкесского технологического института в ноябре 1997г

Публикация. По результатам исследований опубликовано 5 работ и получено положительное решение по заявке на патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы из 121 наименований и приложения. Содержание изложено на 167 страницах машинописного текста, в том числе имеет 45 рисунков и 30 таблиц.

Автор благодарит Чентемирова М.Г. за помощь оказанную при постановке и выполнении исследований, а также за ценные замечания, сделанные по работе в целом.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА Конструкционно-теплоизоляционная пористая керамика принадлежит к числу наиболее эффективных материалов для ограждающих элементов различного назначения. Низкая плотность, огнестойкость, малая теплопроводность, в тоже время достаточно высокая конструктивная прочность, позволяет считать порокерамику одним из наиболее перспективных материалов для строительства.

В мировой практике известно множество способов производства строительной пористой керамики. Это способ "выгорающих добавок", способ "химического порообразования", способ вспучивания массы путем термообработки в условиях высоких температур и т.д. В России работы по изготовлению пористых керамических изделий проводились в ряде организаций: НИИТеплопроекте, НИИСтройкерамике, ВНИИСтроме,

ЦНИЙЭПСельстрое, НИИКерамзите и других организаций, и нашли отражение в работах многих советских и российских ученых: А.И. Августинника, ВН. Большакова, П.П. Будникова, НАГервидса, Ю.П. Горлова, Г.И. Еворенко, И.И. Китайгородского, В.Д. Китайцева, О.П. Мчедлова-Петросяна, Р.Б. Оганесяна, С.П. Онацкого, О.И. Пономарева, М.И. Рогового, С.Б. Черепанова, М.Г. Чентемирова и многих других. Однако ни один из разработанных способов не нашел практического внедрения из-за присущих им недостатков: сложности и ненадежности технологической схемы, несбалансированного химического состава шихты, отсутствия надежного материала форм, пониженных эксплуатационных характеристик порокерамики и др. Наиболее реальной и перспективной, по нашему мнению, является технология получения порокерамики при скоростном (до 1,5 час.) высокотемпературном обжиге-нагреве (1050-1185°С) в формах из жаропрочных материалах по специально подобранным режимам. В отличие от способов получения порокерамических материалов, путем введения выгорающих или порообразующих химических добавок в состав шихты, подпрессовки вспученных пористых гранул с легкоплавкими опудривающими добавками и т.п., метод скоростного обжига глинистого сырья обеспечивает образование ячеистой структуры, отличающейся высокой удельной прочностью и морозостойкостью, низкими теплопроводностью, газо- и водопроницаемостью.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В соответствии с задачами исследований, изучены основные физико-технические свойства глин Северокавказского и Подмосковного региона и стекловидной добавки-плавня природного происхождения перлита, Хакаюкского месторождения (табл.1).

Химический состав сырья

_Таблица 1.

Месторождение Глины плп БЮг АЪОз Ре203 СаО МаО БОз N320 К20

Спасс-Каменское 8,37 62,32 7,48 6,15 8,59 1,62 0,26 0,37 2,10

Пореченское 9,10 59,92 21,71 5,39 3,12 0,61 0,20 0,91 1,08

Армавирское 7,53 64,32 13,65 5,14 4,78 1,86 0,18 0,88 1,50

Черкесское 14,0 51,74 19,63 5,30 1,96 2,47 1,65 0,86 2,40

Перлит 5,8 72,15 13,40 0,38 0,8 0,08 - 2,70 3,90

Установлено, что глина Черкесского месторождения по химическому составу является типичным представителем глины Северо-Кавказского региона, причем химический состав глины характеризуются оптимальным содержанием глинозема (19-21%), оксидов железа (5-6%), оксида кальция (менее 2%), кремнезема (50-55%), что является ценным технологическим качеством, обеспечивающим пониженный температурный интервал спекания сырьевой массы, высокую степень вспучивания материала и возможность получения широкой гаммы порокерамических изделий: теплоизоляционных с плотностью менее 400 кг/мЗ и конструкционно-теплоизоляционных с плотностью 500-800 кг/мЗ и прочностью до 10,0 МПа.

Часть работы посвящена вопросам подготовки к проведению экспериментов, а именно: конструированию надежной и компактной печи обжига, выбору материала и конструкции форм. С помощью специалистов лаборатории теплоизоляции Центрального аэрогидродинамического института им. Жуковского (ЦАГИ) и научно-производственного центра прикладных исследований НИИЖБ при участии автора была сконструирована безинерционная печь кольцевого обогрева с габаритными размерами 120 х 150 х 150 см. Быстрый подъем температуры в печи осуществлялся за счет применения кварцевых галогенных нагревателей мощностью 2,5 кВт и надежной теплоизоляции шамотно-волокнистыми плитами и термостойкой каолиновой ватой. Нагреватели подключались к компьютерной системе управления, позволяющей вести эксперимент в заданном температурно-временном режиме с высокой точностью. Для контроля температуры внутри печи и разных точках образца предварительно устанавливались термопары типа "ХА" в стекловидной обмотке, показания которых выводились на самописец КСП-4. Днище печи было смонтировано в виде специальной тележки, что позволяет загрузку и выгрузку форм производить непосредственно перед печью на тележке. Печь помещали в небольшой автоклав, что позволяло проводить обжиг в среде неглубокого вакуума (по одному из вариантов).

Материал форм - наиболее "узкое" место технологии ПК, т.к. долговечность жаростойкой легированной стали и жаропрочного чугуна в жесткой окислительно-восстановительной среде при высоких температурах порядка 1000 - 1200 °С весьма

ограничена. В начальном варианте были изготовлены формы из жаропрочной стали и нержавеющей стали. Однако, как показали эксперименты, при неоднократном обжиге при высоких температурах происходит коробление стенок формы, что приводит к нарушению геометрических размеров блока. Кроме того, прилипание вспученного материала к стенкам формы серьезно затрудняет применение указанных материалов. Новым технологическим решением этой проблемы явилось предложение использовать в качестве материала для форм пластинчатый графит марки ГМЗ с проведением обжига в условиях неглубокого вакуума, порядка 10"' атм. Этот материал лучше соответствует требованиям технологии по сравнению с другими материалами, однако недостатком графита является его окисляемость при высоких температурах (выше 400°С) и атмосферном давлении, поэтому, возникла необходимость стадию спекания при использовании графитовых форм проводить при вакуумировании 10"' атм. Достоинства графитовых форм очевидны. Во-первых, значительно облегчается вспучивание шихты и предовращается резкое окисление графита при температурах выше 400 °С. Во -вторых, оборачиваемость формы увеличивается до 5000 циклов и выше, при этом гарантируется абсолютная неприлипаемость блоков к форме, четкость размеров и граней блока. Однако вакуумная технология предполагает использование только электрических печей, эксплуатация которых в связи с постоянным ростом стоимости электроэнергии приводит к значительному росту себестоимости изделий.

В связи с этим, было предложено применять для изготовления форм под ПК реакционноспеченный карбид кремния. Данный материал, а также изделия на его основе, надежно эксплуатируются в газо-воздушной среде при высоких температурах (до 1950 °С) в течение длительного времени (5-10 тыс. час.) без деформации коробления и потерь по массе из-за термической коррозии. В качестве энергоносителя при этом может быть использован более дешевый природный газ, что значительно снизит себестоимость ПК.

Технологический процесс производства строительной порокерамики, показанный на рис.1, в зависимости от исходного сырья может реализовываться в двух вариантах. Для легкоплавких и хорошо вспучиваемых глин процесс включает следующие технологические переделы: подготовку глинистого сырья, в том числе грубое измельчение и удаление посто-

Глинистое сырье

Природные вулканические _стекла

Подготовка неходкой шихты

1 вариант

2 вариант

Удаление посторонних ~~ включений. Грубое измельчение глинистого сырья (глинорыхлитель, питатель ленточный, вальцы камневыделяюхцие, смеситель) ______

Удаление посторонних включений. Грубое измельчение глинистого сырья (глинорыхлитель, питатель лент, вальцы камневыделяющие, смеситель) _

Удаление ~

посторонних включений. Грубое измельчение вулканического сырья (приемный бункер, дробилка)

_1_

Сушка до влажности не более 8-10% (сушильный барабан)

Сушка до влажности не более 8-10% (сушильный барабан)

Сушка до влажности не более 3-4% (сушильный барабан) :

Измельчение до размеров зерен не более 10 мм (рыхлитель)

Измельчение до размеров зерен не более 5 мм (рыхлитель)

Тонкое измельчение вулк. Стекла до удельной

поверхности ~ 15002000 см2/г

Дозировка в формы и выравниванию поверхности (весовой дозатор) __

Дозировка (весовой дозатор)

Дозировка (весовой дозатор)

Обжиг в течение 1=40-60 мин при Т=1150-1175 "С (тоннельная печь кольцевого обогрева конструкции : НИИЖБ-ЦАГИ)

Смешение компонентов шихты с химдобавками (смеситель)

Охлаждение в течении {=5-6 час до Т=50 °С (тоннельный холодильник конструкции НИИЖБ-ЦАГИ) _V

Гранулирование шихты до размера гранул 3-5 мм (транслятор тарельчатого типа или шнековои пресс)

Распалубка изделий

Обжиг в течение 1=40-60 мин при Т=И 50-1175 "С (тоннельная печь кольцевого обогрева конструкции НИИЖБ-"'

Складирование изделий

-ЦАГИ)

Охлаждение в течении г=5-6 час до Т=50 "С (тоннельный холодильник конструкции НИИЖБ-ЦАГИ) _- '

Pací

палур!

ка изделии

Складирование изделий

Рис. 1. Принципиальная технологическая схема производства конструкционно-теплоизоляционной порокерамики

ронних включений, сушку при Т=105-120°С до влажности 10%, измельчение глинистого сырья до размера частиц 8-10 мм без грануляции, смешение с добавками однастадийный ступенчатый обжиг при максимальной температуре 1150-1175 °С, остывание до температуры

450°С в вакуумной среде в течение 2-3 часов, дальнейшее остывание в газо-воздушных условиях в открытом автоклаве до Т=50 °С в течении 3-4 часов, распалубка и складирование блоков. В случае безавтоклавного обжига в формах из карбида кремния обжиг и остывание проводятся без вакуумирования. Технологической особенностью производства порокерамики по предлагаемому способу является отсутствие стадии грануляции сырья, но как отмечалось выше, этот способ применим только для легкоплавких и хорошо вспучиваемых глин.

Для тугоплавких глин и вулканических природных стекол процесс включает следующие технологические переделы: подготовку глинистого сырья, включая грубое измельчение и удаление посторонних включений, сушку при Т=Т05-120°С до влажности 10%, измельчение глинистого сырья до размера частиц 0-5 мм без грануляции, тонкое измельчение вулканической породы до удельной поверхности 1500-2000 см2/г, дозировка компонентов шихты, смешение шихты, грануляция до размеров зерен 3-5 мм, однастадийный ступенчатый обжиг при максимальной температуре 1050-1175 °С, остывание в течение 5-6 час. до температуры 50°С в среде вакуума или без него в зависимости от материала форм. Дальнейшее остывание при атмосферном давлении и открытом автоклаве до Т=50°С, распалубка и складирование блоков. Измельчение глинистого сырья до размера частиц 0-5 мм и вулканической породы до дисперсности 1500-2000 см2/г необходимо для лучшего смешения компонентов шихты.

При нагреве и последующем после обжига охлаждении в порокерамическом материале происходит ряд физико-механических изменений, которые в основном и предопределяют физико-механические свойсва ПК.

Оптимальный временной интервал охлаждения ПК составляет 5-6 часов, приблизительно 3-4 °С в минуту. Такое медленное охлаждение позволяет предотвратить перепад температуры по толщине, и как следствие, не вызывает появления трещин. Для глин Черкесского и Армавирского месторождений рекомендуется в стадиях нагрева и охлаждения в интервале температур 500-650°С предусмотреть дополнительную выдержку в течение 10 минут, что необходимо для предотвращения растрескивания и разрушения изделий из-за

объемных изменений при модифицированных превращениях кремнезема в указанном интервале температур (р- кварц в а- кварц с изменением объема до 15 %).

Кроме того, в состав шихты вводится до 5% гидрооксида натрия. Последний способствует растворению кремнезема в образующейся жидкой фазе и частично устранить фазовый переход 0- кварца в а- кварц.

Важное значение для выбора правильного режима обжига имеют реакции с выделением газообразных продуктов, обеспечивающих вспучивание глинистого сырья, а именно: диссоциация карбонатов с выделением углекислого газа, удаление сорбционной и химически связанной воды, выделение кислорода при переходе оксида железа в закись и многие другие. В основном все указанные процессы протекают в интервале температур от 400 до 1000 °С, поэтому необходимо быстро прогреть материал и перейти в стадию спекан!1я, чтобы процессы вспучивания совпали со стадией плавления. Типичный характер изменения температур в различных точках обжигаемого образца в зависимости от времени обжига и заданной программы изменения температуры в печи приведен на Рис. 2, откуда видно, что температура в печи (кривая 2) практически совпадает с движением температуры по программе (кривая 1). Было опробовано множество программ, включающих поэтапные подъемы температуры и выдержки с разными временными интервалами. Оказалось, что скорость увеличения температуры в образцах не существенно зависит от характера программы разогрева. При разных программах с различными выдержками и подъемами температуры, кривая температуры в сырце повторяет один и тот же путь, плавно стремясь вверх. Основополагающим фактором является градиент температур, конечная температура в печи и общее время обжига. Таким образом, суть примененного технологического приема подбора оптимальных условий обжига состоит в совмещении двух кривых - изменения температуры внутри печи и внутри образца в течении минимального времени.

Поскольку одной из главных технологических задач в работе являлось сокращение времени обжига до 60 мин стало очевидным, что проведение обжига за указанное время возможно, только в том случае, если загрузку образцов осуществлять в разогретую печь, при температуре в ней 350-400°С. В этом случае необходимая температура обжига 1100-1150°С внутри образца достигается за 50-60 минут.

т. °с 1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

/ , ' У ^

// // Ч

/// / +

1 у у/

1-7 / 2у / т4

/ / / / /А /3

/ ' / / / • + //

/ / / /} // 7

/ ' / //// 4-

О

10

20

30

40

50

ВО Время, нин

Рис. 2. Зависимость температуры обжига порокерамики на основе глин от времени нагрева

1 - заданная программа регулирования температуры в печи; 2 - температура в печи; 3 - температура в самой холодной точке внутри образца; 4 - температура в образцах около поверхности

Следует отметить, что назначение порокерамики (теплоизоляционная с плотностью 250-500 кг/м3 или конструкционная с плотностью 500-800 кг/м3) определяет и особенности температурно-временного режима обжига шихты. В первом случае возможен резкий прогрев до интервала вспучивания 1050-1150°С, во втором - обязателен более плавный прогрев с обязательной ступенчатой выдержкой.

На рис.3 приведена зависимость изменения плотности порокерамики от температуры обжига. Как следует из графиков, для каждого определенного состава шихты существует оптимальная точка вспучивания, при которой материал имеет наименьшую плотность.

Р, кг/мЗ

800

700 600 500 400 300 200

1060 1080 1100 1120 1140 ИБО 1100 1200 тЛ

Рис. 3. Зависимость изменения плотности порокерамики на различном сырье от температуры обжига: 1 - 100% глины; 2 - 50% глины и 50% молотого перлита , 3 -100% молотого перлита

Полученные данные согласуются с результатами изучения коэффициента вспучивания различного сырца в зависимости от температуры обжига. Как следует из рис 4, увеличение объема исходного сырья достигает 2-2,2 раза, причем необходимо отметить, что сырье на: основе перлита имеет коэффициент вспучивания меньше чем на основе глин, начинает оседать при более низких температурах и в конечном итоге, как показали опыты, при достижении температуры 1190°С формируется стеклянная пластина с коэффициентом вспучивания 0,5, т.е. в 2 раза меньше по объему чем объем исходного сырья. Для шихты на основе глин процесс аналогичен, но смещен в сторону более высоких температур. При температурах более 1200°С эксперименты не проводились. Оптимальными являются температурные интервалы, в которых сырье достигнув максимального предела вспучивания начинает оседать под собственной массой. Это температуры 1085±5°С для перлитового сырья и 1180±5°С - для глинистого сырья. Кроме того, в работе экспериментально подтверждено, что оптимальная температура обжига ПК может быть снижена за счет

ш

\ 1 X \ V* f

> ' i АЖ- S ^ /

Кратность вспучивания 2,5

2,0

1,5

1J0

1 ОБО 1080 1100 1120 1140 1160 1180 1200 Т,°с

Рис.4. Изменение коэффициента вспучивания различного сырья в зависимости от температуры спекания: I - на основе глин; 2 - на основе тонкомолотого перлита

введения в состав шихты некоторых добавок-плавней. Как следует из рис. 5, замена глинистого сырья на перлит (кривая 1) снижает температуру обжига до 1050 °С, а золошлаковые отходы (кривая 2) - до 1100 °С. Введение водного 4 % раствора NaOH (кривая 3) снижает температуру обжига до 1150 °С.

Размеры сырцовых гранул оказывают непосредственное влияние на прочность ПК, что подтверждено результатами экспериментов. Исходную шихту закатывали в гранулы размерами от 0 до 10 мм и просеивали через сита размерами 2 мм, 4мм, 6мм, 8мм и 10 мм. Гранулы вспучивались, склеивались и затем их испытывали на прочность. Результаты испытаний показали, что оптимальный диаметр зерен сырца для обжига при атмосферном давлении соответствует 2,5-3 мм, а для обжига в среде неглубокого вакуума - 5-5,5 мм.

Значительная часть диссертационной работы посвящена подробному изучению деформативно-прочностных и физико-технических свойств ПК. Установлено, что плотности

л

1— ■— * А

N у /

/ \

V

J \

Температура обжига, С

1200 1150 1100 1050 1000

чс- 3

ч

Ч ч. N

25 1

50 2

3»

3 для МаОН

Рис. 5. Зависимость оптимальной температуры обжига порокерамики от состава шихты

1 - % перлита 3 - % ШОН

2 - % золошлаковых отходов

300-800 кг/м3 соответствует прочность при сжатии от 1,0 до 10,0 МПа, при этом коэффициент конструктивного качества в сравнении с традиционными легкими стеновыми материалами - ячеистыми бетоном и керамзитобетоном выше в 1,5- 2 раза (рис.6).

Коэффициент теплопроводности ПК изучался в диапазоне плотности от 300 до 800 кг/3. Установлено, что коэффициент теплопроводности ПК в указанном интервале плотности на основе глин возрастает от 0,09 до 0,15 Вт/(м °С), а для ПК на основе природных стекол этот показатель изменяется от 0,07 до 0,13 Вт/(м °С), что на 20-30% ниже в сравнении с равноплотным керамзитобетоном (Рис.7). Основные физико-механические, гидрофизические и теплотехнические свойства ПК приведены в табл. 2, из которой видно, что сорбционная влажность ПК несколько ниже показателей, рекомендованных СНиП П -3-79™, и может быть принята для теплотехнических расчетов в зонах А и Б (80 и 100% относительной влажности соответственно 4 и 9 %). Установлено, что порокерамика соответствует марке по морозостойкости Б 50 и может применяться в наружных ограждающих конструкциях прак-

Рис. 6. Зависимость прочности порокерамики от плотности 1 - порокерамики (•) , 2 - керамзитобетона (■), 3 - пенобетона (Ж)

тически во всех регионах страны. Сравнивая показатели водопоглощения ПК с традиционными стеновыми материалами, можно отметить, что для ПК эти показатели примерно вдвое ниже, чем например у равноплотных керамзитобетонов и ячеистых бетонов, что по видимому связано с особенностями поровой структуры и фазового состава ПК.

Таблица 2

Основные физико-механические, гидрофизические и теплотехнические свойства ПК

Марка по средней плотности, кг/м3 Средняя прочность при сжатии, МПа Приз-менная прочность, Мпа Модуль упругости, МПах 10"3 Коэффициент теплопроводности, Вт/м °С Морозостойкость, циклов не менее Сорбционная влажность для зоны Б, % (100% влажности воздуха) Во/трпо-глоще-ние по массе "%

300 1,0 0,9 0,8 0,09 - 9,7 15,0

400 3,0 2,1 2,0 0,11 - 9,5 14,7

500 4,0 3,3 2,8 0,13 50 8,8 13,8

600 6,0 5,4 4,1 0,14 50 8,5 12,3

700 7,0 7,2 4,6 0,15 50 8,3 11,5

800 10,0 9,0 5,1 0,16 50 8,1 11,2

Рис.7. Изменение коэффициента теплопроводности ( А.) ПК на основе глин и перлита в сравнении с керамзитобетоном

- ПК на основе глин (•), -ПК на основе перлита (■),

- керамзитобетона по данным СНиП П-3-79** (А)

В диссертационной работе изучались особенности поровой структуры и фазового состава ПК, их взаимосвязь с теплофизическими и прочностными характеристиками. Методом автоматизироваанных микроскопических исследований при увеличении от 10 до 160 раз установлено, что пористость ПК как на основе чистой глины, так и глины с добавкой перлита носит закрытый характер. Форма пор в основном неправильная эллипсовидная, с выраженными линейными участками, а перегородки пор сплошные, не разрыхленные выделившимися газами. Изучение дифференциальной пористости образцов показало, что при равной общей пористости в образцах ПК, изготовленных из смеси глины с перлитом в равных частях, объем пор, приходящийся на поры малого диаметра (до 200 мкм) больше чем в ПК, изготовленной из глины без добавок на 11%, а объем пор большего диаметра (от 0,2 до 0,7 мм) больше на 8 %. Исследования геометрических особенностей поровой структуры ПК различных составов показали, что совокупность пор представляет собой подобную геометрическую систему с линейной зависимостью площади пор от их периметра

(фрактальный фактор). В свою очередь по изменению тангенса угла наклона прямых можно контролировать правильность принятия технологических решений и оценивать уровень физико-механических показателей материала.

Методом РФА было установлено, что фазовый состав ПК представлен в основном аморфными образованиями (стеклофазой) и лишь на 2-10% состоит из кристаллических минералов типа кварца, мулита, силимонита и различных алюмосиликатов, сульфоалюминатов, алюмоферритов, причем в образцах на основе глины содержится 90-92% стеклофазы, а в образцах на основе глины и перлита - 97-98%.

Результаты автоматизированного исследования поровой структуры и фазового состава ПК коррелируются с результатами определения теплопроводности и прочности ПК, т.к. с введением природного стекла в состав шихты изменяется дифференциальная пористость и растет удельный объем пор малого диаметра на 11% , увеличивается содержание стеклофазы на 6-7%, что в свою очередь приводит к снижению коэффициента теплопроводности на 1520% и увеличению прочности на 10-15% при равных плотности и общем объеме пористости.

На базе технологического оборудования керамзитового завода предприятия "ТАМЭ-МММ" и специально смонтированной опытно-промышленной установки выпущены опытные партии порокерамических блоков плотностью 500 кг/'м3 и теплоизоляционных плит плотностью 250-450 кг/м3.

Выполнено технико-экономическое обоснование производства порокерамических блоков с объемным весом 500 кг/м3 и прочностью 3,5 МПа. Согласно расчетов в ценах 1997 года, стоимость порокерамического блока составила 2562 руб., а керамзитобетонного блока -3600 руб., из чего следует , что в сравнении с производством керамзитобетонных блоков, стоимость производства порокерамических блоков в 1,4 раза ниже. При годовой производительности установки 12,5 тыс.куб.м/год при односменной работе годовая прибыль составит 336212 тыс. руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ отечественных и зарубежных литературных источников по производству строительной пористой керамики, а также патентной литературы свидетельствует о применении различных способов получения эффективной пористой керамики. Однако ни один из разработанных способов не нашел практического внедрения из-за присущих им недостатков: сложности и ненадежности технологической схемы, несбалансированного химического состава шихты, отсутствия надежного материала форм, пониженных эксплуатационных характеристик порокерамики и др.

2. Обобщение литературных источников, посвященных изучению влияния состава исходного сырья для получения ПК, и экспериментальное определение химического состава исследуемых глин показали, что глины Северокавказского региона наиболее предпочтительны для изготовления строительной порокерамики, т.к. их состав характеризуется оптимальным содержанием глинозема (19-21%), оксидов железа (5-6%), оксида кальция (менее 2%), кремнезема (50-55%).

3. В результате научно-исследовательского поиска разработано и смонтировано лабораторное и опытно-промышленное оборудование, обеспечивающее одностадийный обжиг керамического сырья в течение 40мин. - 1 часа, включающее безинерционную печь кольцевого обогрева на галогенных нагревателях, автоклав с вакуум-насосом (для вакуумной технологии), загрузочную самоходную тележку, компьютерную систему управления процессом.

4. Из ряда опробованных материалов для изготовления форм рекомендованы карбид кремния, позволяющий проводить многократный обжиг при температуре до 1300 °С при атмосферном давлении, и пластинчатый графит марки ГМЗ при обжиге в вакуумной печи. Эти материалы выдерживают более 5000 технологических циклов без нарушения геометрических размеров, в то время как жаропрочная высококобальтовая сталь не выдерживает более 15 циклов нагревания-охлаждения.

5. Отработана технология изготовления порокерамических изделий в безинерционных печах кольцевого обогрева. Интервал температур обжига в зависимости от исходного сырья

составляет 1060-1175°С. Время обжига составляет от 40 мин до 1 часа. Увеличение объема вспучиваемого сырья составляет 2-2,5 раза.

6. Основные характеристики полученных изделий свидетельствуют о повышенных эксплуатационных, и прежде всего теплозащитных свойствах нового материала для ограждающих конструкций. Так плотности 300-800 кг/м3 соответствует прочность при сжатии от 1,0 до 10,0 МПа. Коэффициент теплопроводности порокерамики указанной плотности на основе глин колеблется от 0,09 до 0,15 Вт/(м °С), а для порокерамики на основе природных стекол от 0,07 до 0,13 Вт/(м°С).

7. Сорбционная влажность порокерамики несколько ниже показателей, рекомендованных СНиП II -3-79™ и может быть принята для теплотехнических расчетов в зонах А и Б (80 и 100% относительной влажности) соответственно 4 и 9 %. Паропроницаемость пенокерамики меньше паропроницаемости легких бетонов по данным СНиП П-3-79хх , и в 4-5 раз меньше, чем у керамзигобетона тон же плотности. Установлено, что порокерамика соответствует марке по морозостойкости Б 50 и может применяться в наружных ограждающих конструкциях практически во всех регионах страны. Водопоглощение порокерамики примерно вдвое ниже, чем, например, у равноплотных керамзитобетонов.

8. Микроскопическими исследованиями при увеличении до 160 раз установлено, что пористость ПК имеет закрытый характер, форма пор в основном неправильная эллипсовидная, с выраженными линейными участками, перегородки пор сплошные, не разрыхленные выделяющимися газами. Методом РФА установлено, что фазовый состав ПК представлен в основном аморфными образованиями (сгеклофазой) и лишь на 2-10% состоит из кристаллических минералов, причем в порокерамических образцах на основе глины содержится 90-92% стеклофазы, а в образцах на основе глины и перлита - 97-98%.

9. Результаты исследований использованы при выпуске опытной партии порокерамических блоков плотностью 500 кг/м3 и теплоизоляционных плит плотностью 250450 кг/м3 на базе технологического оборудования керамзитового завода предприятия "ТАМЭ-МММ" г. Черкесска. Выполнено ТЭО производства порокерамических блоков с плотностью 500 кг/м3 и прочностью 3,5 МПа. В сравнении с производством

керамзитобетонных блоков, стоимость производства пенокерамических блоков в 1,4 раза ниже. При годовой производительности 12,5 тыс.куб.м/год годовая прибыль составит 336212 тыс. руб. в ценах 1997 г.

10. Выполнены сравнительные теплотехнические расчеты наружных стен из порокерамических и керамзитобетонных блоков. Наружная стена из керамических камней плотностью 700 кг/м3 обеспечивает достаточную толщину для климатических условий г. Черкесска при толщине стены 34 см, соответственно для плотности 500 кг/м3 толщина стены составляет 30 см. Сравнение результатов свидетельствует, что вследствие повышенных теплозащитных свойств ПК, толщина наружной стены из порокерамики в 1,5 - 1,7 раза ниже толщины стены из керамзитобетона.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Звездов А.И., Тамов М.Ч. Установка для производства пористых керамических изделий. Положительное решение о выдаче свидегелства на полезную модель № 97121523/20(022808) от 17.12.97.

2. М.Г.Чентемиров, Давидюк А.Н., Забродин И.В., Тамов М.Ч. Новая технология производства эффективной пенокерамики для стеновых и теплоизоляционных материалов. Промышленное и гражданское строительство № 9, 1997 г.

3. М.Г.Чентемиров, Давидюк А.Н., Забродин И.В., Тамов М.Ч. Новая технология производства строительной пенокерамики. Строительные материалы, Л*2 11,1997 г.

4. Тамов М.Ч. Снижние плотности обжиговых строительных материалов. //Материалы II научно-практической кон-ференции преподавателей и аспирантов Карачаево-Черкесского технологического института. Тезисы докладов. г.Черкесск 11-15 ноября 1997 г.

5. Тамов М.Ч. Энерго-ресурсосбережение в технологии пористых заполнителей и порокерамических элементов. // Материалы II научно-практической конференции преподавателей и аспирантов Карачаево-Черкесского технологического института. Тезисы докладов, г. Черкесск 11-15 ноября 1997 г.

6. Тамов М.Ч. Органические и минеральные добавки в производстве пористых и порокерамических элементов. Материалы молодых ученых и специалистов в области бетона и железобетона. Тезисы докладов, г. Москва 20-22 апреля 1998 г.