автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Структурированный высокопористый материал на основе жидкого стекла и формованные изделия для теплоизоляции трубопроводов

На правах рукописи

МАМОНОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

Структурированный высокопористый материал на основе жидкого стекла и формованные изделия для теплоизоляции трубопроводов

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2012

* 7 мая 2012

005043455

Работа .выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

кандидат технических наук, доцент Мизюряев Сергей Александрович

Иващенко Юрий Григорьевич

доктор технических наук, профессор, директор Строигельно-архитектурно-дорожного института, зав. кафедрой «Производство строительных изделий и конструкций» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Горин Владимир Михайлович,

кандидат технических наук, Генеральный директор ЗАО «НИИКерамзит» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 года в_часов на заседании

диссертационного совета Д212.213.01 в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, ауд. 0407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «_» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

В.Ю. Алпатов

Актуальность работы

Добыча и транспортирование нефтепродуктов для России, которая по разведанным запасам нефти находится на 6-м месте в мире, всегда были и остаются одними из важнейших составляющих экономики страны. Экономическая эффективность транспортирования нефтепродуктов во многом зависит от их свойств. Основная трудность - резкое снижение скорости и объемов перекачки при снижении температуры нефтепродуктов из-за возрастания их вязкости. В регионах с низкой температурой окружающей среды вязкость нефтепродуктов может достигнуть таких значений, что затраты на перекачку превышают стоимость добываемой нефти. Но около 70 % разведанных (балансовых) запасов нефти России находится в Томской и Тюменской областях Западной Сибири, где среднегодовая температура составляет всего 0-2 °С. Это заставляет использовать методы прокачки «горячей» нефти для предотвращения ее загустевания в каналах путем нагрева ее иногда до 200 °С. К тому же изоляция должна быть эффективной в условиях пожара при разливе нефти. Такие условия заставляют предъявлять к материалам для теплоизоляции трубопроводов требования не только по теплоизоляции, но и по термоустойчивости, огнестойкости и негорючести. А сложные условия монтажа и ремонта теплоизоляции предъявляют дополнительные требования по изготовлению элементов теплоизоляции максимальной заводской готовности, т.е в виде формованных изделий.

Номенклатура отечественных теплоизоляционных материалов, предназначенных для тепловой изоляции трубопроводов, не слишком разнообразна Она представлена в основном традиционно применяемыми материалами и изделиями на основе минеральной, шлаковой или стеклянной ваты. К сожалению, отечественная промышленность теплоизоляционных материалов не выпускает в достаточном количестве высокотехнологичные формованные изделия, хотя известно, что формованные теплоизоляционные изделия максимальной заводской готовности позволяют не только резко сокращать сроки ввода трубопроводов в эксплуатацию, но и улучшают теплофизические параметры работы изоляции.

Среди теплоизоляционных материалов своей эффективностью выделяются пористые материалы и изделия, изготовленные на основе жидкого стекла. Отличительными их характеристиками являются: высокая пористость с преобладанием закрытых пор; высокая температура применения - до 800 °С; негорючесть; биостойкость; доступность материалов для изготовления жидкого стекла.

В ходе предварительных работ с участием автора, было установлено, что на основе натриевого жидкого стекла возможно получение ряда эффективных компонентов для изготовления теплоизоляционных изделий равномерной мелкопористой структуры, а именно:

- на основе модифицированного жидкого стекла возможно изготовление силикатнатриевого пористого заполнителя, выполняющего функцию макроструктурирующего компонента;

- на основе товарного натриевого жидкого стекла возможно получение силикатного высокопористого мелкодисперсного наполнителя, выполняющего функцию микроструктурирующего компонента.

Использование для изготовления теплоизоляционных изделий, подвергающихся нагреву, минеральных компонентов близкого вещественного состава является также весьма актуальным, так как предопределяет высокую термическую стойкость и огнестойкость.

Цели и задачи

Целью работы явилась разработка технологии изготовления формостабильных (цилиндры, полуцилиндры, сегменты) минеральных теплоизоляционных огнестойких изделий с плотностью не выше 500 кг/м* и с температурой применения до 600° С, пригодных для использования в качестве теплоизоляции нефтетрубопроводов.

Поставленная цель позволяет сформулировать следующие задачи настоящей работы:

1. Проанализировать эксплуатационные характеристики теплоизоляционных материалов и конструкций, в том числе применяемых для тепловой изоляции трубопроводов.

2. Разработать модель структуры и технологии изготовления теплоизоляционных формованных изделий, обеспечивающие достижение поставленной цели, определить влияние технологических факторов, вида и количества инертных наполнителей на физико-механические характеристики вспученных пористых гранул.

3. Установить возможность получения высокопористого материала (матрицы), обладающего высокой и равномерно распределенной пористостью, а также высокой адгезией к вспученным гранулам на основе модифицированного растворимого натриевого стекла, и установить основные технологические параметры получения такой «матрицы» с оптимальной структурой.

4. Установить основные технологические параметры получения готовых формованных поризованных изделий, изготовить опытные формованные поризованные изделия по разработанной технологии и провести их испытания, определить основные физико-механические и эксплутационные характеристики полученных формованных поризованных изделий.

5. Изучить возможности повышения водостойкости формованных поризованных изделий на основе модифицированного жидкого натриевого стекла.

6. Разработать технологический регламент на опытное производство формостабильных изделий с высокоячеистой структурой на основе модифицированного жидкого натриевого стекла.

Научная новизна

• Разработана модель структуры, обеспечивающая наибольшую стабильность в условиях нестабильного нагрева.

• Определено влияние технологических факторов, вида и количества инертных наполнителей на физико-механические характеристики пористых заполнителей, изготовленных на основе модифицированного жидкого натриевого стекла (МЖНС).

• Впервые установлена возможность использования высокопористого наполнителя, полученного с помощью низкотемпературного вспучивания жидкого стекла, для получения высокопористого материала однородной мелкопористой структуры (матрицы).

• Впервые исследована способность высокопористой матрицы к адгезии к поверхности пористых заполнителей (гранул), изготовленных на основе модифицированного жидкого натриевого стекла (МЖНС).

• Впервые установлены основные технологические параметры изготовления теплоизоляционных формованных изделий, обеспечивающие получение формостабильных (цилиндры, полуцилиндры, сегменты) теплоизоляционных огнестойких изделий минерального состава с плотностью не выше 500 кг/м3 и с температурой применения до 600 "С.

• Определена возможность снижения водопоглощения и повышения водостойкости формованных поризованных изделий (ФПИ), изготовленных по разработанной технологии.

• Определены основные физико-механические и эксплутационные характеристики формованных поризованных изделий (ФПИ), изготовленных по разработанной технологии.

Практическая значимость работы

• Разработаны новый высокопористый структурированный теплоизоляционный материал на основе жидкого натриевого стекла и технология изготовления изделий из него.

• На лабораторной действующей модели теплового аппарата барабанного типа определены технологические параметры получения пористого заполнителя с требуемыми физико-механическими характеристиками.

• Установлены параметры получения формованных высокопористых изделий на основе пористого гранулированного материала и высокопористой матрицы, имеющих между собою высокую адгезионную способность.

• Разработан технологический регламент на производство формостабильных изделий с равномерной высокопористой мелкоячеистой структурой на основе жидкого натриевого стекла.

• Проведены опытно-промышленные испытания формованных поризованных изделий (ФПИ), изготовленных по разработанной технологии. Апробация работы

Основные результаты работы прошли апробацию на научных и научно-методических конференциях (64-я, 65-я, 66-я Всероссийские научно-технические конференции по итогам НИР СГАСУ за 2006 - 2008 гг.; III Международная

научно-методическая конференция. СГАСУ. Самара. 2010; XV Академические чтения РААСН. Казань, 2010).

Разработанные технология и теплоизоляционные изделия, изготовленные по ней, прошли успешную производственную апробацию на предприятии Самарской области - Обособленное подразделение «Тепловые сети» Муниципального Унитарного Предприятия «ПО КХ г. Тольятти», где использовались для изготовления формованных изделий, предназначенных для теплоизоляции паропровода с температурой 100 °С, и участка котлоагрегататипа ДКВР с рабочей температурой 600 °С, что по условиям работы идентично работе нефтетрубопроводов с горячей системой перекачки нефтепродуктов.

Основные теоретические положения и практические результаты исследований используются в учебном процессе кафедрой «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» СГАСУ в курсах дисциплин «Технология пористых заполнителей» и «Технология теплоизоляционных материалов и изделий».

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, 4 приложений и библиографического списка литературы, включающего 150 наименований. Работа имеет общий объем 136 страниц машинописного текста, содержит 24 таблицы, 27 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цель и задачи исследования. Сделан краткий анализ технологических и эксплуатационных свойств основных применяемых в современном производстве теплоизоляционных материалов.

В первой главе изложено состояние вопроса по направлению исследований. Особое внимание в литературном и патентном обзоре уделено таким характеристикам теплоизоляционных материалов, как теплопроводность, тепло-и огнестойкость, возможность получать теплоизоляционные конструкции заводской готовности на основе жидкого натриевого стекла и других силикатнатриевых материалов. Приведен сравнительный анализ эффективности теплоизоляционных материалов с точки зрения сочетания низкой плотности и теплостойкости, определено влияние структуры на теплоизоляционные свойства материалов. Рассмотрены основные виды и номенклатура наиболее распространённых, а также наиболее перспективных новых теплоизоляционных материалов, как отечественного, так и импортного производства.

Вопросам оптимизации структур теплоизоляционных материалов посвящены работы Ю.М. Баженова, Б.Г. Скрамтаева, И.А. Рыбьева, А.П. Меркина, Ю.П. Горлова и других ученых. Также следует упомянуть следующих ученых, занимающихся вопросами оптимизации и управления структурированием - Е.М. Чернышев, Ю.Г Иващенко, Р.З. Рахимов, P.P. Сахибгареев, И.С. Суровцев, В.Т. Ерофеев, Е.В. Королев, В.В. Белов, В.П. Селяев, Т.К. Акчурин, Е.И. Шмитько и др.

Анализ литературы по вопросу общей технологии теплоизоляционных материалов, а также по проблемам изготовления и эксплуатации теплоизоляции трубопроводов для «горячего» транспортирования нефтепродуктов позволил сделать следующие выводы:

1. Создание надежной теплоизоляции трубопроводов для транспортирования нефтепродуктов (ТТТНП) является важной народнохозяйственной задачей.

2. К теплоизоляции трубопроводов, при использовании наиболее эффективного способа транспортирования нефтепродуктов - «горячего» способа, кроме требования низкой теплопроводности, предъявляются особые требования по термо- и огнестойкости.

3. Среди обширной номенклатуры материалов для ТТТНП особое место занимают теплоизоляционные материалы на основе минеральных материалов, в частности на основе жидкого натриевого стекла (ЖНС), имеющих низкую плотность и температуру применения до 600 °С.

4. Наиболее оптимальными с точки зрения монтажа, эксплуатации и ремонта ТТТНП являются формованные теплоизоляционные изделия заводского изготовления.

5. Среди существующих структур теплоизоляционных материалов наиболее оптимальной является структура, состоящая из каркаса, образованного высопористым гранулированным материалом, и межзерновой высокопористой матрицы, «склеивающей» гранулы в единый конгломерат.

6. Основой для изготовления макрокаркаса может являться высокопористый заполнитель на основе модифицированного натриевого жидкого стекла, состав и технология которого разработана в СГАСУ, имеющий зерновую плотность около 250 кг/м3, насыпную плотность около 125 кг/м3 и прочность на сжатие до 0,7 МПа.

Анализ литературных данных, сделанных выводов и имеющихся результатов научных исследований позволяет выдвинуть следующую рабочую гипотезу:

Имеющиеся данные позволяют сделать предположение, что получение формованных изделий, имеющих среднюю плотность менее 500 кг/м3, температуру эксплуатации до 600 градусов и пригодных для теплоизоляции трубопроводов с «горячей» транспортировкой материалов, в частности нефти и нефтепродуктов, возможно созданием на основе модифицированного жидкого натриевого стекла структуры, состоящей из легких пористых гранул с заданными свойствами, выполняющих функцию «каркаса», и высокопоризованной «матрицы», находящейся в межзерновом пространстве и склеивающей гранулы между собой.

Причем образование матрицы происходит за счет нанесения на поверхность вспученных гранул термовспучивающегося состава, содержащего жидкое натриевое стекло и специальный структурорегулирующий пористый порошкообразный компонент, и низкотемпературной обработки.

Во второй главе приведены методы исследований и методики испытаний, использованные в настоящей работе. Приведены основные характеристики применяемых материалов - жидкого натриевого стекла, хлорида натрия и других материалов.

В ходе выполнения диссертационного исследования были использованы следующие сырьевые материалы:

- товарное жидкое (растворимое) натриевое стекло (ЖНС);

- хлорид натрия в виде поваренной соли;

- монтмориллонитовая глина Чапаевского месторождения и речной волжский кварцевый песок;

- материалы для придания водостойкости готовым изделиям.

Следует отметить, что одним из основных критериев-факторов, определяющих выбор сырьевых материалов, являлась их доступность, т.е наличие больших запасов и недефицитность.

Для изучения процессов, происходящих в материалах при различного вида воздействиях (в частности при нагреве), в диссертационном исследовании использовался дифференциально-термический анализ (ДТА).

В настоящей работе дифференциально-термические исследования производились с помощью термоаналитического комплекса «КАРАТ», разработанного на кафедре химии СГАСУ профессором В.П. Егуновым.

Рентгенофазовый анализ (РФА) автором использовался для исследования минералогического состава некоторых сырьевых компонентов.

Проведенные предварительные исследования автора, дифференциально-термический анализ, результаты, полученные в работах других исследователей, показали, что основной сырьевой компонент - жидкое натриевое стекло, а также получаемые в ходе проведения данной работы на его основе материалы, имеют аморфную структуру, т.е. рентгенонейтральную, вплоть до критических температур их применения, что не дает возможности использования РФА для изучения происходящих процессов.

Готовые формованные изделия испытывались с целью определения следующих характеристик: средней плотности; прочности при сжатии; прочности при изгибе; теплопроводности; водостойкости; водопоглощения; морозостойкости.

Метод математического планирования в настоящей работе использовался либо в сочетании с программой «Excel», либо со специализированной программой «Gradient». При планировании определялось следующее:

- цели каждого эксперимента;

- число серий и измерений в каждой серии;

- достижение оптимума соотношения.

Назначение проведенного планирования - получение достоверных результатов при проведении минимально необходимого количества экспериментов с построением математической модели.

В частности, при исследованиях по определению оптимального состава для получения «матрицы» с заданными свойствами, предварительно было установлено:

1. Большинство зависимостей носит нелинейный характер.

2. Число значимых факторов в экспериментах обычно не превышает двух.

Обработка результатов при проведении экспериментов по определению

оптимального состава «матрицы», включающей факторы - содержание жидкого натриевого стекла и содержание пористого порошка для расчета коэффициентов регрессии, производилось при помощи программы «Excel», для графического отображения результатов использовалась программа «3D Graphen).

В третьей главе приведены результаты определения основных факторов -вида и соотношения исходных материалов, а также.технологических параметров - вида и условий обработки, на свойства двух основных компонентов системы -вспученных гранул и мелкоячеистой «матрицы», заполняющей межзерновое пространство и «склеивающей» гранулы между собой.

В соответствии с рабочей гипотезой вспученные гранулы, выполняя макроструктурирующую функцию, должны образовывать каркас и обладать определенной прочностью.

Матрица должна иметь равномерно распределенную высокопористую структуру.

Для регулирования физико-механических характеристик вспученных гранул, в частности изменения их плотности и прочности, определялась возможность введения в состав исходной композиции для производства вспученных гранул инертных наполнителей - невспучивающейся монтмориллонитовой глины и речного волжского кварцевого песка.

Для приближения условий испытаний к натуральным была изготовлена и использована действующая модель теплового аппарата барабанного типа (рисунок 1), имитирующая работу сушильного барабана и позволяющая термообрабатывать гранулы при температуре до 300 °С во вращающемся барабане.

Рисунок 1 - Действующая лабораторная модель теплового агрегата барабанного типа

Следует отметить, что введение молотой глины в количестве 50 % и более процентов оказывало влияние на вязкость смеси. Очевидно, что это связано не только с относительным увеличением содержания глины, но и с химической активностью веществ, находящихся в ней.

Результаты данных испытаний приведены на рисунках 2а и 26.

Рисунок 2а - Влияние инертных добавок на плотность гранул

Рисунок 26 - Влияние инертных добавок на прочность гранул

Из результатов видно следующее:

- независимо от вида инертной добавки характер изменений плотности и прочности практически одинаков;

- по мере увеличения количества инертной добавки от 0 до 100 % от массы РНС плотность вспученных гранул возрастает соответственно от 0,125 до 0,850 г/см при введении тонкомолотой глины и до 0,410 при введении молотого кварцевого песка;

- исходя из предварительного условия, что плотность гранул должна быть не более 0,25 г/см , содержание глины в составе должно быть не более 5 %;

- исходя из предварительного условия, что плотность гранул должна быть не более 0,25 г/см , содержание кварцевого песка в составе должно быть не более 30 %;

- прочность по мере увеличения количества добавки и соответственно увеличения плотности возрастает с 0,08 МПа при нулевом содержании добавки I до 0,71 МПа при введении 100 % глины и до 0,35 МПа при введении 100 % кварцевого песка;

- по мере увеличения содержания инертных добавок размер пор уменьшается, структура материала становится более однородной, что благоприятно для стабильности и прочности материала;

- из анализа фотографий структуры вспученных гранул (рисунок 3) видно, что структура гранул и пористость при применении в качестве инертного заполнителя глины более стабильная.

песок

Рисунок 3 - Вспученные гранулы с инертными добавками

Во второй части главы приведены результаты определения влияния на вспучивающую способность жидкого натриевого стекла (ЖНС) различных технологических факторов, в частности возможность модифицирования физических свойств ЖНС путем введения молотого легкого порошка.

В соответствии с рабочей гипотезой введение в жидкое натриевое стекло (ЖНС) такого легкого порошкообразного материала уменьшает плотность исходной массы, что позволяет получить материал с более равномерно распределенной пористостью; одновременно это не дает образующимся за счет газовыделения порам сливаться, уменьшает их размер и обеспечивает получение материала с равномерно распределенной по объему пористостью и плотностью при достаточной прочности.

Исследованиями по определению прочности, плотности, и однородности, проведёнными согласно указанных методик и результаты которых приведены в таблице 1, установлено, что роль легковесного порошка может успешно выполнять порошок, полученный помолом вспученного при 250...300 °С товарного ЖНС, или отходы, получаемые при обработке готовых формованных изделий.

Инертная добавка глина

Инертная добавка кварцевый

Таблица 1. Влияние введения поризованного порошка на вспучиваемость жидкого натриевого стекла (ЖНС)

Показатель Ед.изм Содержание поризованного порошка (ПП), %

0 10 25 50 75 100

Номер сое гава №1 М>2 №3 М4 М>5 Мб

Плотность г/см3 0,044 0,150 0,180 0,180 0,180 0,200

Прочность при сжатии МПа 0,01 0,14 0,25 0,30 0,25 0,10

ККК - 0,227 0,933 0,893 1,184 0,521 0,213

Однородность - Плох. Хор. Хор. Хор. Удов. Плох.

Однородность Баллы 3,0 6,0 10,0 10,0 5,0 2,0

Из таблицы видно, что наиболее оптимальными свойствами обладает состав с содержанием ЖНСгпоризованный порошок (ПП) соотношения 1:0,25...0,5 по массе (составы № 3 и 4).

При таком соотношении компонентов исходной смеси в результате вспучивания при термообработке при 300 °С, образуется материал с равномерно распределенной пористостью, плотностью 180 кг/м3, прочностью при сжатии 0,25...0,30 МПа. н

По результатам исследования видно, что наиболее однородной структурой обладают так же составы № 3 и 4.

На рисунках 3-5 прведены фотографии, характеризующие структуру вспученного жидкого натриевого стекла (ЖНС) до и после модификации поризованным порошком (ПП).

Рисунок 3 - Структура вспученного ЖНС

Рисунок 4 - Структура ЖНС с 10 % ПП

Рисунок 5 - Структура ЖНС с 50 % ПП

У составов № 1 и 2 наблюдается неравномерность распределения пор по

объему, а также по размеру пор, за счет чрезмерного вспучивания и соединения пор. То есть у данных составов имеется «избыток» ЖНС. У составов № 5 и 6 наблюдаются крупные каверны, т.е. места, не заполненные при вспучивании, а также плохой контакт между отдельными частицами.

Таким образом, для дальнейших исследований в качестве смеси для образования «матрицы» применялся состав с содержанием жидкое натриевое стекло (ЖНС): поризованиый порошок (ПП) соотношения 1:0,25 и 1:0,5 по массе.

Исследования по определению состава для получения матрицы с заданными свойствами проводились с применением метода математического планирования. Исходные данные приведены в таблице 2. При этом за основные переменные были приняты следующие факторы:

Х| - содержание жидкого натриевого стекла (ЖНС).

Х2 - содержание поризованного порошка (ПП).

Таблица 2 - Сводная таблица исходных данных

Код Значение кода Значение факторов

X, Х2

Основной уровень 0 1,00 0,50

Интервал варьирования Дх1 0,1 0,5

Верхний уровень + 1,10 1,00

Нижний уровень - 0,90 0,00

В ходе работ была принята ротатабельная матрица нелинейного плана эксперимента при числе факторов, равном 2.

Произведён расчёт вспомогательных коэффициентов, выполнен эксперимент (получение откликов) по прочности, составлено уравнение регрессии, рассчитаны коэффициенты регрессии по прочности:

Ун = 0,3 + 0,0*Х] + 0,06*Х2 + 0,04*Х|*Х2 -0,И*Х,2 -0,11*Х22. Выполнен эксперимент (получение откликов) по плотности, составлено уравнение регрессии по плотности, рассчитаны коэффициенты регрессии: У0 = 0,18 - 0,02*Х, + 0,07*Х2 - 0,01*Х,*Х2 - 0,02*Х,2 - 0,03*Х22.

Результаты представлены на графиках (рисунки 6 и 7):

Рисунок 6 - Зависимость плотности «матрицы» от соотношения компонентов

Рисунок 7 - Зависимость прочности «матрицы» от соотношения компонентов

В четвёртой главе приведены результаты исследований, направленных на решение поставленных в работе задач, а именно:

- определение величины адгезии на границе каркас-матрица и способов ее изменения;

- определение оптимальных соотношений исходных материалов для получения изделий с требуемыми характеристиками;

- определение основных физико-механических характеристик формованных поризованных изделий;

- определение долговечности контактной зоны на границе каркас-матрица;

- разработка методов повышения водостойкости формованных поризованных изделий.

В ходе работы было установлено, что поверхности вспученных гранул и матрицы имеют неудовлетворительную адгезию. Для решег (я данной проблемы была разработана методика исследования адгезионных явлений на контакте каркас-матрица.

Исследования показали, что значительно повысить адгезию, без ухудшения теплоизоляционных характеристик, можно путем обработки поверхности вспученных гранул раствором жидкого стекла (рисунки 8 и 9).

Рисунок 8 - Зона контакта без обработки

Рисунок 9 - Зона контакта после обработки (увеличение х 100)

Исходя из рабочей гипотезы, матрица должна полностью заполнять межзерновое пространство. Испытания показали, что оптимальное соотношение обработанных жидким натриевым стеклом вспученных гранул (ВГ) : «матрица» составляет 1 :0,07...0,12 массовых частей.

Полученные результаты позволили установить оптимальные технологические параметры изготовления формованных теплоизоляционных изделий заданной структуры, изготовить и испытать структурированный высокопористый материал в соответствии с принятыми методиками.

Результаты основных физико-механических характеристик приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Основные свойства структурированного материала

на основе вспученных гранул с добавкой глины после обработки

Характеристика Ед.изм. Состав «матрицы», ЖНС:ПП по массе

1:0,25 1:0,5

Соотношение «Вспученная гранула» (ВГ): «матрица» Вес.ч. 1:0,07

Средняя плотность кг/м3 365 350

Средняя прочность при сжатии МПа 0,55 0,42

Средняя прочность при изгибе МПа 0,09 0,07

Коэффициент теплопроводности Вт/(м*К) 0,094 0,088

Температура применения, максимальная °С 730

Водопоглощение % 45,1 45,4

Водостойкость (Кр) - 0,375

В главе также приводятся результаты определения возможности повышения водостойкости разработанных теплоизоляционных материалов при помощи поверхностной гидрофобизации специальными товарными составами. Эти результаты отражены в таблице 4.

Таблица 4 - Эффективность обработки поверхности ФПИ для повышения их водостойкости

Вид добавки Водопогло-щение, % Прочность при сжатии, МПа Водостойкость (Кр)

Контрольная В насыщенном состоянии

Кипящая олифа 3,3 0,45 0,42 0,80

Кремнийорганическ ая жидкость ГКЖ-94 2,5 0,41 0,40 0,98

«ГРУНТ ЗАЩИТА» 7,5 0,41 0,32 0,78

«ПОЛИФЛЮИД» 4,2 0,42 0,35 0,83

Из полученных результатов видно, что наибольшей эффективностью для данного типа материалов и изделий обладают добавки типа кремнийорганической жидкости марки ГКЖ-94, после обработки которой разработанные формованные поризованные изделия (ФПИ) имеют коэффициент размягчения 0,98, т.е. значительно более 0,75, что их относит к водостойким материалам.

Водологлощекие при этом составляет около 2,5 %.

Испытания на морозостойкость образцов, после их гидрофобизации при помощи кремнийорганической жидкости марки ГКЖ-94, показали, что остаточная прочность при сжатии после 15 циклов замораживания-оттаивания составляет 83 %, что свидетельствует о достаточной морозостойкости гидрофобизированных ФПИ.

Было установлено, что полученные формованные поризованные изделия (ФПИ) значительно повышают огнестойкость стальных конструкций. Так, ФПИ толщиной 40 мм позволят повысить огнестойкость стальных конструкций до 39 мин при плотности ФПИ 350 кг/м3 и до 60 мин при плотности ФПИ 200 кг/м3. Использование формованных поризованных изделий (ФПИ) толщиной 60 мм позволит повысить огнестойкость стальных конструкций до 52мин при плотности ФПИ 350 кг/м3 и до 81 мин при плотности ФПИ 200 кг/м3.

В пятой главе описано изготовление опытных формостабильных теплоизоляционных изделий по разработанной технологии с высокоячеистой структурой на основе пористых гранулированных материалов и высокопористой матрицы.

В качестве пористых гранулированных материалов применялись:

- керамзитовый гравий производства ОАО «Керамзит» (г. Самара);

- вспученные гранулы на основе модифицированного жидкого стекла и наполнителя - глины.

Представлены результаты испытания изготовленных опытных изделий в опытно-промышленных условиях, которые показали достаточные, с точки зрения поставленных в работе целей и задач, надежность и теплозащитные свойства.

В приложении представлены:

- технологический регламент изготовления опытных формованных теплоизоляционных изделий, применяемых для теплоизоляции в виде формованных изделий (плиты, скорлупы, сегменты и т.д.) с температурой эксплуатации от минус 30 до плюс 600 °С;

-результаты апробации (акты изготовления опытных изделий и акты их монтажа и осмотра) работы на предприятии Самарской области - ОП «Тепловые сети» МУП ПО КХ г. Тольятти.

Основные выводы

1. Анализ условий эффективной работы трубопроводов для перекачки нефтепродуктов позволил установить, что изделия для теплоизоляции нефтетрубопроводов, кроме низкой плотности (не более 500 кг/м3), должны обладать также термостойкостью и огнестойкостью; изучение условий эксплуатации, характеризующихся неравномерным нагревом и охлаждением, позволило сделать вывод, что наиболее оптимальными эксплуатационными свойствами обладают структуры, состоящие из каркаса, образованного высокопористым гранулированным материалом, и межзерновой высокопористой матрицей, «склеивающей» гранулы в единый конгломерат. Причем каркас и матрица должны иметь максимально близкие химические составы.

2. Установлено, что в качестве высокопористого гранулированного материала возможно использование вспученных гранул на основе модифицированного жидкого натриевого стекла (МЖНС). Причем для повышения их прочности и сокращения расхода МЖНС возможно введение в состав исходной смеси инертных добавок типа глины и кварцевого песка. При этом плотность ¡ранул при содержании добавки в количестве от нуля до 100 % возрастает от 0,125 до 0,41...0,85 г/см3, а прочность - от 0,08 до 0,35...0,71 МПа. Установлено, что исходя из условия, что плотность гранул должна быть не более 0,25 г/см3, содержание кварцевого песка в составе должно быть не более 30 %, а глины - не более 5 %.

3. Впервые установлено, что в качестве «матрицы» возможно использовать вспученное жидкое натриевое стекло (ЖНС), структура которого оптимизирована за счет введения в исходную смесь легкого наполнителя в виде порошка фракции менее 1 мм, плотностью 40...150 кг/м3, полученного размолом вспученного при 300 °С жидкого натриевого стекла. Впервые установлено, что для получения структуры матрицы с оптимальными свойствами содержание легкого наполнителя должно быть 0,25...0,5 от массы ЖНС. Впервые установлено, что на основе сырьевых составов, содержащих ЖНС: легкий наполнитель в соотношении 1 : 0,25...0,5 по массе, в результате вспучивания при термообработке при 300 °С, образуется материал с равномерно распределенной пористостью, плотностью 180 кг/м , прочностью при сжатии 0,25...0,3 МПа.

4. Впервые установлено, что для получения плотного контакта на границе каркас-матрица последнюю необходимо предварительно обрабатывать жидким натриевым стеклом (ЖНС).

5. Впервые выявлено, что формованные поризованные изделия (ФПИ), состоящие из каркаса в виде вспученных гранул (ВГ) на основе МЖНС и матрицы из специально разработанного состава и изготовленные по разработанной технологии, имеют плотность 225...365 кг/м3, прочность при сжатии 0,25...0,5 МПа, при изгибе 0,06...0,09 МПа, коэффициент теплопроводности 0,041...0,094 Вт/м*К, максимальную температуру применения 750 0 С.

6. Установлено, что водостойкость ФПИ можно повысить путем их обработки специальными гидрофобизирующими составами (кремнийорганическая жидкость ГКЖ-94, олифа, другие гидрофобизаторы), при этом коэффициент размягчения становится выше 0,75, что условно относит обработанные формованные поризованные изделия (ФПИ) к водостойким. Водопоглощение при этом составляет 2,5...3,3 %. Остаточная прочность образцов, гидрофобизированных кремнийорганической жидкостью, после 15 циклов замораживания-оттаивания составляет 83 %, что свидетельствует о достаточной морозостойкости данных ФПИ после специальной обработки.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

Издания, рекомендуемые ВАК РФ, патенты:

1. Мизюряев, С.А. Термоустойчивость строительных конструкций / С.А. Мизюряев, А.Ю. Жигулина, А.Н. Мамонов // Научно-технический журнал ВНИИНТПИ. - 2006. - № 3. - С. 52-55.

2. Пат. 2406708 Российская Федерация, МПК С04В 20/06, С04В 14/24, С04В 18/12, С04В 38/00. Способ получения водостойкого пористого заполнителя / Мизюряев С.А., Иванова Н.В., Жигулина А.Ю., Мамонов А.Н.; Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакамю - № 2009101719; заявл. 20.01.2009; опубл. 20.12.2010, Бюл. № 193. - 5с.

3. Мизюряев, С.А. Расширение номенклатуры искусственных пористых заполнителей / С.А. Мизюряев, АЛО. Жигулина, А.Н. Мамонов, Н.В. Иванова // Строительные материалы.-2011. -№7. -С. 12-13.

4. Мизюряев, С.А. Структурированный высокопористый силикатнатриевый материал повышенной тепло- и термостойкости / С.А.Мизюряев, А.Н. Мамонов, В.М. Горин, С.А. Токарева// Строительные материалы. - 2011. - № 7 - С. 8-9.

Прочие издания:

5. Мизюряев, С.А. Применение теплоизоляционных изделий для промышленных трубопроводов / С.А. Мизюряев, А.Н. Мамонов И Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Материалы 63-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР СГАСУ за 2005 г. / СГАСУ. - Самара, 2006. - С. 142.

6. Мизюряев, С.А. Теплоизоляция трубопроводов / С.А. Мизюряев, А.Н. Мамонов, Н.В. Иванова // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Материалы 63-й Всероссийской

научно-технической конференции по итогам НИР СГАСУ за 2005 г. / СГАСУ. -Самара, 2006. - С. 143. 7. Мизюряев, С.А. Плавкость системы A1203-Si02-Na20 / С.А.Мизюряев, А.Н. Мамонов, Н.В. Иванова // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Материалы 64-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР СГАСУ за 2006 г. / СГАСУ. -Самара,

2007 г.-С. 201-203.

8 .Мизюряев, С. А. Поризованный материал на основе растворимого стекла / С.А. Мизюряев, А.Н. Мамонов // Аюуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Материалы 65-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР СГАСУ за 2007 г. / СГАСУ. -Самара, 2008. - С.199-200.

9. Мизюряев, С.А. Термическая вспучиваемость гидратированных силикатов натрия / С.А. Мизюряев, Н.В. Иванова, А.Н. Мамонов // Аюуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Материалы 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР СГАСУ за

2008 г. / СГАСУ. - Самара, 2009. - С. 193-194.

10. Мизюряев, С.А. Регулирование основных характеристик пористого заполнителя на основе РНС / С.А. Мизюряев, Н.И. Иванова, А.Н. Мамонов // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Материалы 66-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР СГАСУ за 2008 г. / СГАСУ. - Самара, 2009. С. 197.

И. Мизюряев, С.А. Структура теплоизоляционных материалов / С.А. Мизюряев, А.Н. Мамонов // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика. Материалы 66-й научно-технической конференции по итогам НИР СГАСУ за 2008 г. / СГАСУ. - Самара, 2009. С. 205206.

12. Мамонов, А.Н. Исследование контактных зон при помощи оптико-цифровой микроскопии / А.Н. Мамонов, С.А. Мизюряев // Сборник статей III международной научно-методической конференции. / СГАСУ. - Самара, 2010 г. С. 56-57.

13. Мизюряев, С.А. Структурирование теплоизоляционных материалов на основе жидкого стекла / С.А. Мизюряев, А.Н. Мамонов // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. Материалы XV академических чтений РААСН - международной научно-технической конференции. - Казань, 2010. С. 135-137.

14. Мизюряев, С.А. Оптимизация структуры поризованных материалов / С.А. Мизюряев, А.Н. Мамонов, А.Н. Царёва // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Материалы 67-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2009 г. / СГАСУ. - Самара, 2010. С. 274.

15. Мамонов, А.Н. Проектирование и освоение выпуска новой продукции // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Материалы 68-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2010 г. / СГАСУ. - Самара, 2011 г. С.472.

Отпечатано с оригинала заказчика в типографии ООО «Самарский Центр полиграфии-М» г Самара, 443010, ул .Галактионовская.79.

Подписано в печать 26.04.2012. Бумага «Снегурочка» Печать оперативная. Формат 60*84/16. Уч.-изд .л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 3812