Способ получения пенокерамических изделий

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.%:

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.