Способ получения пенокерамических изделий
Владельцы патента RU 2349563:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный архитектурно-строительный университет ФГОУ ВПО КГАСУ (RU)
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и относится к получению пенокерамических материалов. Техническим результатом изобретения является повышение прочности, снижение теплопроводности. Способ получения пенокерамических изделий включает перемешивание глины, заполнителя, выгорающей, стабилизирующей и флюсующей добавок, жидкого стекла, пластификатора, портландцемента, воды и вспенивающего агента, формование, сушку и обжиг изделий. В качестве выгорающей добавки используют древесные опилки фракции 0,25-0,315 мм, в качестве заполнителя - молотый бой керамического кирпича, в качестве флюсующей добавки - молотое стекло и отход травления алюминия плотностью 1,05-1,3 г/см3, в качестве вспенивающего агента - отдельно приготовленную пену. При этом глину, бой керамического кирпича и молотое стекло перед смешиванием компонентов измельчают до размера частиц 70-100 мкм. Соотношение компонентов смеси составляет, мас.%: глина 36,30-41,90, молотый бой керамического кирпича 7,72-9,10, отходы травления алюминия 3,20-5,30, молотое стекло 6,30-9,70, жидкое стекло 1,25-1,29, древесные опилки 1,90-4,40, пластификатор 0,10-0,20, портландцемент 4,25-4,80, пена 0,30-0,40, вода 30,10-32,60. 2 з.п. ф-лы, 8 табл.
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, главным образом к получению пенокерамических материалов для устройства эффективных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий.
Известен способ приготовления пеноглинобетона, включающий приготовление шликера, формование и 28 суточную выдержку (Черных В., Маштаков А., Галаган К., Шестакова Е. Строительные изделия с применением глинистого сырья // Строительные материалы. 2003. №12. с.46-47), причем шликер состоит, мас.%:
глина 43,8;
цемент 21,9;
известь 1,31;
гидрофобная добавка 0,15;
ускоритель твердения 0,31;
пена 1,22;
вода 31,28 (остальное).
Недостатком этого способа является относительно невысокая прочность, высокая плотность и низкий коэффициент водостойкости получаемых изделий и низкая морозостойкость.
Наиболее близким к изобретению является способ получения пенокерамики, который предусматривает перемешивание глины, заполнителя, фибры, воды и вспенивающего агента, формование изделий, сушку и обжиг. В качестве фибры используют базальтовое волокно, в качестве заполнителя - молотое стекло или обожженную глину и пену. Дополнительно вводят пластификатор, жидкое стекло, фосфорную кислоту (заявка №2004111833/03, дата публикации 10.05.2005, дата начала действия патента 20.04.2004, автор Галаган К.В. и др.). Соотношение компонентов смеси составляет, мас.%:
глина 46-56;
заполнитель 7,8-12,8;
жидкое стекло 0,07-0,77;
фибра 0,39-0,43;
пластификатор 0,13-0,23;
фосфорная кислота 0,13-0,38;
пена 2,6-3,8;
вода - остальное.
Недостатком этого способа является относительно невысокая прочность пенокерамических изделий и повышенная теплопроводность.
Изобретение направлено на повышение прочности, снижение теплопроводности, расширение сырьевой базы исходных компонентов пенокерамических изделий и повышение экологической безопасности окружающей среды в результате утилизации промышленных отходов
Результат достигается тем, что в способе получения пенокерамических изделий, включающем совместное перемешивание тонкомолотой глины, заполнителя, выгорающей, стабилизирующей и флюсующих добавок, жидкого стекла, пластификатора, воды и вспенивающего агента, формование, сушку и обжиг изделий, согласно изобретению, в качестве выгорающей добавки используют древесные опилки фракции 0,25-0,315 мм, в качестве заполнителя бой керамического кирпича, в качестве флюсующей добавки молотое стекло и отходы травления алюминия плотностью 1,05-1,3 г/см3, при этом глину, бой керамического кирпича и молотое стекло перед смешиванием компонентов измельчают до размера частиц 70-100 мкм, а в качестве вспенивающего агента используют отдельно приготовленную пену, дополнительно вводят портландцемент; сушку отформованных образцов осуществляют при 40-60°С, а обжиг при температуре 980-1050°С, при этом соотношение компонентов смеси, мас.%:
глина 36,30-41,90;
молотый бой керамического кирпича 7,72-9,10;
древесные опилки 1,90-4,40;
портландцемент 4,25-4,80;
отход травления алюминия 3,20-5,30;
молотое стекло 6,30-9,70;
жидкое стекло 1,25-1,29;
пластификатор 0,10-0,20;
пена 0,30-0,40;
вода 30,10-32,60.
Результат достигается тем, что формование изделий производят в разборных металлических формах, выложенных бумагой, предохраняющей их после распалубки от механических повреждений при транспортировке в печь, перед обжигом изделий бумагу снимают и используют повторно.
Результат достигается также тем, что обжиг проводят при оптимальной температуре 1030°С.
Для получения пенокерамических изделий использовались следующие ингредиенты: глина Сарай-Чекурчинского месторождения, молотый бой керамического кирпича - отход производства Арского кирпичного завода, отходы травления алюминия, составы которых приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||||||||
| № | Содержание, мас.% | ||||||||||
| Н2О | SiO2 | TiO2 | Fe2О3 | MnO | CaO | MgO | Na2O | Р2О3 | SO3 | ппп | |
| Al2O3 | FeO | K2О | |||||||||
| 1 | 4,19 | 69,37 | 13,69 | 4,52 | 0,08 | 1,90 | 1,43 | 3,3 | 0,11 | 0,07 | 5,3 |
| 2 | 0,08 | 72,83 | 12,73 | 5,99 | 0,09 | 2,95 | 1,7 | 2,93 | 0,1 | 0,09 | 0,45 |
| 3 | - | - | 38,0-40,2 | 1,7-1,8 | - | - | - | 44,2-46,0 | - | 1,0- 2,3 | - |
| Примечание: 1 - глина Сарай-Чекурчинская; 2 - бой керамического кирпича - отход производства Арского кирпичного завода; 3 - отходы травления алюминия. |
В качестве пенообразователя использовали «Пеностром» по ТУ 0258-001-22299560-97 или ПБ-2000 по ТУ 2481-185-05744685-01.
Суперпластификатор С-3, порошок светло-коричневого цвета, соответствует ТУ 6-36-0204229-625. В процессе эксплуатации не оказывает вредного воздействия.
Отходы травления алюминия представляют собой темно-желтую жидкость плотностью 1,05-1,3 г/см3. Эти многотонажные отходы в настоящее время нигде не используются и отправляются на регенерацию, что требует больших материальных затрат на их нейтрализацию. Отход травления алюминия - алюминатно-солевой раствор в виде мононатриевого алюмината Al2O3, в малых количествах Al(ОН)3 и незначительного количества других компонентов. Химический состав щелочных компонентов приведен в табл.1. Выбор этих добавок обоснован наличием Na2O и Al2О3, присутствие в них оксидов щелочных металлов (в данном случае Na2O) снижает температуру образования пиропластичной массы, а наличие Al2О3 в системе повышает прочность черепка.
Молотое стекло получали путем размалывания боя стеклотары (ГОСТ Р 52022-2003) в шаровой мельнице до фракции 70-100 мкм.
Стекло жидкое натриевое (ГОСТ 13078-81) представляет собой густую жидкость желтого или серого цвета без механических включений и примесей.
В качестве стабилизирующей добавки использовался Вольский портландцемент марки 500 ГОСТ 10178-85.
Древесные опилки представляют собой отходы деревообрабатывающих комбинатов, например Васильевский - п.Васильево, Зеленодольский район, РТ, образующиеся в больших объемах и в настоящее время практически нигде не используются. Насыпная плотность древесных опилок составляет 180-190 кг/м3, фракция используемых древесных опилок составляет 0,25-0,315 мм.
Вода, применяемая для получения керамического шликера и получения пены, соответствует ГОСТ 23732-79.
Пенокерамическую смесь готовят следующим образом. В смесителе готовят компонентную смесь в указанных в формуле пределах (в мас.%): глина, молотый кирпичный бой, молотое стекло, портландцемент, жидкое стекло, отход травления алюминия, древесные опилки, пластификатор С-3, вода. Добавляют пену и тщательно перемешивают в течение 0,5-1 минуты. Смесь заливают в формы, с внутренней стороны обложенные бумагой. Затем высушивают при температуре 40-60°С в течение 24 часов, обжигают при температуре 980-1050°С в течение 12 часов. Температура и продолжительность обжига зависят от вида применяемой глины, количества отхода травления алюминия и молотого стекла. С повышением количества отхода травления и молотого стекла температура обжига понижается. Остаточная влажность образцов после сушки должна составлять 5-7%. При меньшей и большей влажности происходит трещинообразование при обжиге изделий и снижение прочности.
Ввод глины, боя керамического кирпича и молотого стекла, измельченных до размеров частиц 70-100 мкм, обоснован тем, что они при тонком измельчении лучше взаимодействуют в пределах температуры обжига пенокерамических изделий. В таблице 2 показано, что при тонкости помола 70-100 мкм обеспечивается набольшая подвижность керамического шликера, обусловленная тем, что достигается наиболее плотная упаковка частиц сырья при наименьшей удельной поверхности. Это способствует укреплению межпоровых перегородок и, в конечном счете, повышению прочности изделия и снижению водопоглощения.
| Таблица 2 | ||
| № п/п | Тонкость помола боя кирпича и молотого стекла, мкм | Подвижность шликера, мм |
| 1 | менее 50 | 77 |
| 2 | 50-70 | 115 |
| 3 | 70-100 | 134 |
| 4 | 100-120 | 98 |
Добавка портландцемента и жидкого стекла способствует закреплению структуры во время сушки изделий, снижению усадки и плотности пеносырца. Как видно из результатов, представленных в таблице 3, совместное использование портландцемента с жидким стеклом взаимно активизирует свое действие и ускоряет процесс структурообразования пеносырца, снижая его усадку.
| Таблица 3 | ||||
| № п/п | Добавка | Свойства пеносырца | ||
| Плотность, кг/м3 | Усадка, % | Трещины шт. (более 10 мм) | ||
| 1 | Портландцемент | 590 | 11 | 4 |
| 2 | Жидкое стекло | 595 | 14,5 | 6 |
| 3 | Портландцемент + жидкое стекло | 590 | 9 | 2 |
| 4 | Контр. состав (без добавок) | 600 | 21,5 | 12 |
В качестве пластификатора, который применяется для повышения подвижности шликера, снижения влагосодержания и снижения времени, необходимого для влагоотдачи пеношликерной массы во время сушки изделий, лучше использовать суперпластификатор С-3. Результаты исследования различных пластификаторов на подвижность керамического шликера, представленные в таблице 4, подтвердили, что суперпластификатор С-3 способствует наибольшему повышению подвижности керамического шликера при равном количестве воды затворения для всех составов, что ускоряет процесс влагоотдачи при сушке пеносырца и снижает трещинообразование
| Таблица 4 | |||||||
| № сост. | Состав шликера, % (об.) от глины | В/Т | Расплыв, мм | ||||
| Глина | С-3 | Сода | ПЩ | Без добавок | |||
| 1 | 100 | 0,3 | 0,6 | 161 | |||
| 2 | 0,3 | 0,6 | 134 | ||||
| 3 | 0,3 | 0,6 | 128 | ||||
| 4 | - | 0,6 | 107 |
Для снижения усадки, повышения трещиностойкости сырца при сушке, снижения средней плотности и теплопроводности пенокерамического изделия в качестве выгорающей добавки использовали древесные опилки. Введение древесных опилок обоснованно их армирующим эффектом, т.к. частицы древесных опилок, дисперсно распределяясь в пеношликере, структурно укрепляют его, снижая усадку и трещинообразование. В процессе обжига опилки выгорают и образуют дополнительную макропористость, которая снижает плотность и теплопроводность пенокерамики. Установлено, что наибольший эффект достигается при введении древесных опилок фракции 0,25-0,315 мм, т.к. при меньшем размере фракции резко повышается водопотребность, а при большем происходит разрушение мелкопористой структуры пеношликера, образованной введением пены.
Применение пены при изготовлении пенокерамических изделий обеспечивает получение ячеистой структуры с замкнутыми порами, что улучшает теплозащитные свойства и снижает теплопроводность. В таблице 5 представлены результаты исследования влияния вида пенообразователя на плотность и теплопроводность пенокерамики. Видно, что при использовании пенообразователей ПБ-2000 и «Пеностром» наблюдается наименьшая усадка, средняя плотность и теплопроводность, это связано с образованием более однородной пористости и замкнутого характера пор по сравнению с образцами, приготовленными с использованием других пенообразователей.
| Таблица 5 | ||||
| № п/п | Пенообразователь | Свойства | Примечание | |
| Плотность, кг/м3 | Теплопроводность, Вт/(м·°С) | |||
| 1 | ПБ 2000 | 520 | 0,106 | |
| 2 | Унипор | 700 | 1,3 | растрескался |
| 3 | Пеностром | 575 | 0,108 | |
| 4 | ПО 6 | 650 | 0,125 |
Сушку проводят до остаточной влажности изделия 5-7% при оптимальной температуре, равной 40-60°С. Свойства пеносырца одного состава при различных температурах сушки представлены в таблице 6. При большей температуре разрушается пена и повышается трещинообразование. Сушка пеносырца при температуре менее 40°С приводит к замедлению процесса влагоотдачи и закрепления структуры пеносырца, что повышает усадку и трещинообразование. При температуре свыше 60°С также происходит повышение трещинообразования и усадки, вызванное тем, что при повышенных температурах пена разрушается и не успевает закрепить структуру пеносырца. Следовательно, оптимальной температурой сушки является температура 40-60°С, при которой, как видно из таблицы 6, наблюдается наименьшая усадка и трещинообразование. Это связано с тем, что при равномерной влагоотдаче структура пеносырца успевает закрепиться без разрушения пены и возникновения внутренних напряжений. В процессе сушки после распалубки сырец переворачивается основанием наверх, чтобы изменить направление влагоотдачи, позволяющее снизить усадку и сохранить равномерную пористость.
| Таблица 6 | ||||
| № п/п | Температура сушки,°С | Свойства пеносырца | ||
| Усадка, % | Плотность, кг/м3 | Трещины шт. (более 10 мм) | ||
| 1 | 30-40 | 12 | 605 | 5 |
| 2 | 40-50 | 8,5 | 530 | 2 |
| 3 | 50-60 | 9 | 560 | 3 |
| 4 | 60-70 | 18 | 685 | 9 |
Формование пенокерамических изделий проводят в разборных металлических формах. При этом для формования используют формы, дно стенки которых предварительно обложены бумагой, которая после распалубки пенокерамического сырца, защищает его от механических повреждений при транспортировке в печь, однако перед обжигом бумага снимается и используется повторно.
Обжиг пенокерамики проводится при температуре 980-1050°С (оптимальная 1030°С) в течение 12 часов. Продолжительность обжига зависит от вида применяемой глины, количества отходов травления алюминия (далее ОТА) и молотого стекла. Установлено, что с повышением количества ОТА и молотого стекла температура обжига понижается. Рентгено-фазовый и дифференциально-термический анализы контрольных образцов пенокерамики, обожженных в указанном температурном интервале, позволили установить, что повышение прочности черепка при введении в шихту флюсующих компонентов в виде смеси ОТА и стеклобоя связано с образованием волостонита и моноклинного пироксена.
Данные экспериментов по получению пенокерамических изделий представлены в таблицах 7 и 8.
| Таблица 7 | ||||||||||
| № сост. | Состав смеси, мас.% | |||||||||
| Глина | Кирпичный бой | Молотое стекло | Древесные опилки | Отход травления алюминия | Пенообразователь | Портландцемент | Жидкое стекло | Пластификатор С-3 | Вода | |
| 1 | 41,90 | 7,72 | 6,40 | 1,90 | 4,80 | 0,40 | 4,50 | 1,28 | 0,1 | 31,00 |
| 2 | 38,80 | 8,71 | 9,70 | 3,20 | 3,20 | 0,30 | 4,50 | 1,29 | 0,20 | 30,10 |
| 3 | 40,10 | 8,10 | 6,40 | 3,20 | 4,80 | 0,30 | 4,80 | 1,27 | 0,13 | 30,90 |
| 4 | 36,30 | 9,10 | 6,30 | 4,40 | 5,30 | 0,40 | 4,25 | 1,25 | 0.1 | 32,60 |
| 5 | 45,50 | 7,29 | 3,30 | 4,90 | 3,30 | 0,40 | 3,30 | 1,31 | 0 | 30,70 |
| 6 | 32,75 | 9,20 | 9,70 | 4,40 | 6,30 | 0,30 | 3,10 | 1,25 | 0,2 | 32,80 |
| Состав по прототипу | ||||||||||
| 7 | 46 | Обожженная глина 12,8 | Базальтовое волокно 0,41 | Фосфорная кислота 0,38 | 3,8 | 0,77 | 0,23 | 35,61 |
Видно, что предел прочности при сжатии образцов, полученных по предлагаемому способу, составляет 3,7-4,0 МПа при плотности 580-630 кг/м, у наиболее близкого аналога (прототипа) предел прочности при сжатии равен 3,5 МПа при плотности 650 кг/м3. Теплопроводность заявленных составов составляет 0,108-0,119 Вт/(м·°С), у наиболее близкого аналога 0,14 Вт/(м·°С).
Предлагаемое изобретение может быть использовано практически на любом заводе по производству керамического кирпича для изготовления конструкционно-теплоизоляционных пенокерамических изделий, которые могут применяться для устройства эффективных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. Изобретение позволяет увеличить прочность пенокерамического изделия, снизить теплопроводность, а также расширить сырьевую базу исходных компонентов пенокерамических изделий и утилизировать промышленные отходы.
| Таблица 8 | |||||||
| Свойства | Показатели по составам | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | Прототип | |
| Предел прочности на сжатие, МПа | 3,7 | 3,7 | 3,8 | 4,0 | 2,1 | 5,4 | 3,5 |
| Средняя плотность, кг/м3 | 590 | 580 | 600 | 630 | 420 | 870 | 650 |
| Теплопроводность, Вт/(м·°С) | 0,110 | 0,108 | 0,109 | 0,119 | 0,087 | 1,142 | 0,14 |
1. Способ получения пенокерамических изделий, включающий совместное перемешивание тонкомолотой глины, заполнителя, выгорающей, стабилизирующей и флюсующей добавок, жидкого стекла, пластификатора, воды и вспенивающего агента, формование, сушку и обжиг изделий, отличающийся тем, что в качестве выгорающей добавки используют древесные опилки фракции 0,25-0,315 мм, в качестве заполнителя - молотый бой керамического кирпича, в качестве флюсующей добавки вводят молотое стекло и отходы травления алюминия плотностью 1,05-1,3 г/см3, при этом глину, бой керамического кирпича и молотое стекло перед смешиванием компонентов измельчают до размера частиц 70-100 мкм, а в качестве вспенивающего агента используют отдельно приготовленную пену, дополнительно вводят портландцемент, нагревание отформованных изделий при сушке осуществляют при 40-60°С, а обжиг - при температуре 980-1050°С, при этом соотношение компонентов смеси составляет, мас.%:
| глина | 36,30-41,90 |
| молотый бой керамического кирпича | 7,72-9,10 |
| древесные опилки | 1,90-4,40 |
| портландцемент | 4,25-4,80 |
| отход травления алюминия | 3,20-5,30 |
| молотое стекло | 6,30-9,70 |
| жидкое стекло | 1,25-1,29 |
| пластификатор | 0,10-0,20 |
| пена | 0,30-0,40 |
| вода | 30,10-32,60 |
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование изделий производят в разборных металлических формах, выложенных бумагой, предохраняющей их после распалубки от механических повреждений при транспортировке в печь, перед обжигом изделий бумагу снимают и используют повторно.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обжиг проводят при температуре 1030°С.
