CC BY
224
В. П. Лузин, А. В. Корнилов, К. Г. Николаев,
Л. П. Лузина
КЕРАМИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Ключевые слова: керамический, материал, теплоизоляционный, свойство, технологический, добавка, переработка, получение.
Для улучшения теплоизоляционных свойств керамических стеновых материалов в сырьевую шихту рекомендуется вводить нетрадиционные технологические добавки: модифицированные цеолитсодержащие кремнистые породы, вулканический пепел, туфовые отходы, мелкоразмерный вермикулит. Вспучи-ваемость керамического пористого заполнителя может быть повышена путем применения нетрадиционных видов сырья (алеврита, вермикулита) и придания сырцовым гранулам специальной формы.
Кеумотйз: ceramic, the material, thermal insulation, property, technological, additive,
processing, obtaining.
It’s recommended to enter nonconventional technological additives in raw batch: modified zeolitecontaining siliceous breeds, volcanic ashes, a tuff waste, and smalldimensional vermiculite - for improvement heat-insulated properties of ceramic wall materials. Blistering of ceramic porous filler can be raised by application of nonconventional kinds of raw materials (alevrite, vermiculite) and giving the special form to raw granules.
В настоящее время большим спросом на рынке стройматериалов пользуются керамические материалы (пустотно-пористый кирпич, керамзитовый гравий), обладающие высокими теплоизоляционными свойствами. Так, например, при производстве стеновых пустотно-пористых изделий экономится сырье (до 40%) и топливо (до 20%), себестоимость снижается на 10-15%. В процессе эксплуатации зданий, возведенных из таких изделий с более высокими теплотехническими характеристиками, значительно экономится тепловая энергия на отопление. В средней полосе России на обогрев 1м2 площади требуется 500кВт/час в год. Применение эффективных теплоизоляционных материалов и изделий позволяет снизить затраты на отопление в 2-3 раза.
Для получения пустотно-пористых изделий с улучшенными эксплуатационными свойствами применяется глинистое сырье достаточно высокого качества и современное перерабатывающее оборудование. Однако не всегда местные сырьевые ресурсы удовлетворяют по своим характеристикам требованиям промышленности. В этом случае для улучшения свойств сырья необходимо использовать эффективные способы его переработки или применять нетрадиционные технологические добавки.
Наиболее распространенным способом улучшения качества глинистого сырья является введение в керамическую шихту технологических добавок различного назначения. При получении пустотно-пористого кирпича одновременно нужно решать две взаимоис-
ключающие задачи: улучшение спекаемости, что приводит к повышению прочности и увеличение пористости, что снижает среднюю плотность и прочность изделий. Для производства кондиционной продукции необходимо найти оптимальное соотношение в шихте между плавнями и порообразующими добавками или использовать технологические добавки «двойного действия», с помощью которых можно создать повышенную пористость при сохранении требуемых прочностных характеристик или даже их увеличении. Такой добавкой являются цеолитсодержащие кремнистые породы. Применение природных разновидностей данных пород в некоторых случаях не способствует решению поставленной задачи и в этом случае требуется предварительное их обогащение.
Установлено, что весьма эффективна переработка цеолитсодержащих кремнистых пород Татарско-Шатрашанского месторождения Республики Татарстан (РТ) на электро-массклассификаторе. Полученные при этом две фракции (с размерами частиц менее 200 и менее 100мкм) модифицированного цеолитсодержащего сырья обладают различными технологическими свойствами [1]. Прочность при сжатии керамических образцов, отформованных из модифицированных цеолитсодержащих кремнистых пород, возрастает в 1,6 -1,9 раза (с 18,3 до 29,2-35,2МПа) при незначительном увеличении (с 1,17 до 1,21-1,23г/см3) средней плотности черепка. Водопоглощение практически не изменяется. Применение такого модифицированного сырья позволит получать высокопустотные прочные стеновые керамические материалы, обладающие высокими теплоизоляционными свойствами. Аналогичный результат наблюдается при электромассклассификации низкокачественных легкоплавких полиминеральных глин (например, Сахаровского месторождения РТ). Прочностные характеристики образцов возрастают более чем в два раза.
Проведены исследования по применению в производстве керамических изделий пирокластического (тефрогенного) материала: вулканического пепла Куркужинского месторождения и отходов добычи туфов Заюковского месторождения Кабардино-Балкарской республики, обладающими неплохими теплоизоляционными свойствами.
Исследуемый вулканический пепел сложен лапиллями, соответствующих размеру гравия и щебня (2-60 мм), песчаными частицами (0,05-2,0 мм), алевритовыми частицами (0,005-0,05 мм) и глинистыми частицами (0,0-0,005 мм). Состоит из минералов кварца, полевого шпата, биотита, цеолита, кристаллита, вулканического стекла, граф3 ита, магнетита, гематита и др. Насыпная плотность пепла в среднем составляет 1000 кг/м , а по узким классам крупности изменяется от 515 до 1180 кг/м3. Истинная плотность (удельный вес) около 1340 кг/м3. Пустотность достигает 29 %. Теплопроводность не превышает 0,145 Вт/(м-К). Модуль крупности равен 1.6.
Природный вулканический пепел фракции -1.0+0.0 мм вводился в глинистое сырье монтмориллонитового и полиминерального составов [2]. Полученные керамические образцы соответственно имеют плотность 1710 (1700) кг/м3, прочность при изгибе 5,3 (3,5) МПа, при сжатии 22,1 (15,8) МПа, водопоглощение 9,8 (13,9) %. По сравнению с исходными образцами (без пепла) их плотность на 18 % меньше. Результаты испытаний показали, что вулканический пепел может быть эффективной технологической добавкой в глину при производстве керамических стеновых материалов с повышенными теплоизоляционными характеристиками.
Отходы исследуемых туфов (в естественном монолитном состоянии туф в виде правильной формы обработанных блоков 380х190х180 мм применяется только в качестве стенового строительного материала для гражданских сооружений) представляют собой обломки полиминеральной сцементированной породы розоватой окраски. В их составе присутствуют вспененное стекло и развитый по нему зеленоватой окраски полевой шпат (20-
24%), бледно-дымчатый прозрачный кварц (15-17%), массивное водяно-прозрачное или темное до черного плотное вулканическое стекло, черный и коричневый биотит (3-5%), цеолиты и другие минеральные образования. В срезе крупных обломков туфа можно видеть очертания лапиллей и пемзита. Это подтверждает образование туфа за счет уплотнения и цементации вулканического пепла. Средняя плотность образцов туфа 1340 кг /м3, истинная плотность 2050 кг/м3, теплопроводность 0,308 Вт/м-К, пористость 29,3%.
Отходы туфов с размерами частиц менее 1мм добавлялись в глинистое сырье вышеуказанных разновидностей. Получены керамические изделия со следующими характеристиками: средняя плотность 1550-1700 кг/м3, прочность при изгибе 4,1-6,2 МПа, при сжатии 15,2-24,3 МПа, водопоглощение 9-12,2%. Образцы, отформованные только из глины, имеют более высокую среднюю плотность (2000 кг/см3) и, соответственно, худшие теплоизоляционные свойства [3].
В качестве теплоизоляционной добавки при производстве стеновых керамических изделий может быть использован вспученный вермикулит - природная минеральная смесь гидратированных слюд (гидратированных силикатов Fe, Mg и Al), содержащая определенную примесь негидратированной слюды и других минералов. Вермикулит является одним из лучших теплоизоляционных материалов (коэффициент теплопроводности равен 0,054-
0,078 ккал/мч оС).
Установлено, что добавка вспученного вермикулита Татарского месторождения Красноярского края в глинистое сырье минералого-технологической разновидности 3б оптимальна в количестве 10%. При этом средняя плотность уменьшается на 0,09 г/см3, а прочность при сжатии несколько увеличивается (на 15%). При введении большего количества вермикулита (20 и 30%) плотность снижается с 2,07 до 1,83 - 1,89 г/см3, а прочность при сжатии - с 24,8 МПа до 17,4-19,7 МПа. С увеличением содержания вермикулита с 10 до 30 % водопоглощение возрастает с 12,2 до 16,0 %, общая усадка не изменяется.
На основе легкоплавких глин и мелкоразмерного вермикулита (с размерами частиц менее 0,63 мм) разработана технология получения керамических пористых заполнителей, удовлетворяющих требованиям стандарта. Ее применение обеспечивает расширение направлений использования легкоплавких, но не вспучивающихся без добавки вермикулита, глин. Кроме того, вермикулит обеспечивает снижение объемной массы гранул за счет увеличения вспучиваемости глин в 1,4-1,6 раз, получение более высоких марок керамзита (200-250). Выход целых гранул составил 100%. Поверхность гранул более ровная, гладкая, с меньшим количеством видимых глазом трещин и меньшими их размерами. Внутренняя часть гранул отличается более ярким проявлением стеклофазы и увеличенным количеством пор. Повышение пористости происходит не только за счёт увеличения объема гранул, но и за счет большей пористости, присущей термовермикулиту (общая пористость термо-вермикулитовой гранулы составляет 90 - 92 %, а керамзитовой гранулы на основе одной глины около 70 %).
Улучшение вспучиваемости можно объяснить отличием химического состава вермикулита от глинистого сырья, а именно: 1) повышенным (в 2 раза) содержанием в вермикулите Fe2O3 + FeO, наличие которых понижает вязкость расплава и приводит к ослаблению поверхностного натяжения нагреваемых гранул, вследствие чего снижается нижняя граница интервала вспучивания при одновременном его расширении; 2) более высоким значением показателя соотношения Na2O/K2O, вследствие чего происходит понижение вязкости расплава при нагреве и расширяется интервал размягчения; 3) более низким содержанием в вермикулите тугоплавких компонентов SiO2 (в 1,4 раза) и Al2O3 (в 1,6 раза),
увеличивающих вязкость массы при нагреве. Вспучивание гранул происходит при меньшей (на 30 - 60оС) температуре нагрева.
Применение данной технологии приводит к экономии затрат при производстве керамзита и она является альтернативной по отношению к тем технологиям, которые для повышения вспучиваемости глин используют горючие добавки в виде масел, опилок и т. д.
Отличительной особенностью другой новой технологии получения керамзита из плохо вспучивающихся глин является то, что при формовании из глины сырцовым гранулам придают шестигранную геометрическую форму. При этом, имея равные объемы и массы с гранулами классической цилиндрической формы, они обладают большей поверхностью (на 8,4%). Это способствует равномерному доступу тепла ко всем частям нагреваемой гранулы, улучшается режим ее нагрева, благодаря чему происходит одинаковое вспучивание гранулы во всех направлениях. Изделия получаются шарообразной формы (коэффициент формы 1,00-1,03) с насыпной плотностью (133 кг/м3), что меньше в 1,3 раза в сравнении с гранулами керамзита, полученными по стандартной технологии (насыпная плотность 174 кг/м , коэффициент формы 1,87). Температура обжига снижается примерно на 30-50оС, что приводит к уменьшению энергозатрат и смягчает требования к качеству глинистого сырья для производства товарного продукта. Применение предлагаемой технологии позволяет получать более однородную продукцию по прочности и плотности и повысить марку керамзита. Стало возможным получение из одного и того же глинистого сырья более легких марок керамзита (например, марку 150 вместо марки 250) без изменения прочности на сжатие [4].
Для получения керамзита может быть использован новый вид минерального сырья (образования): алеврит с преобладающим размером частиц от 0,005 до 0,05мм, являющийся отходом добычи глин Тюкинского месторождения РТ [5]. По насыпной плотности товарная продукция на основе алеврита является конкурентоспособной в сравнении с продукцией, получаемой из традиционного сырья (глины). Так, насыпная плотность керамзита из алеврита в 1,24-2,42 раза меньше, чем насыпная плотность из традиционной керамзитовой глины (соответственно 126 и 156-305 кг/м3). Марка керамзита из алеврита соответствует 150, в то время как из традиционной глины 200-350. Приведенные технические показатели объясняются большей пористостью алеврита в сравнении с глиной, и как следствие, лучшими условиями прогрева частиц композиции.
Разработанные технологии керамических материалов (кирпича и керамзита) с улучшенными теплоизоляционными свойствами могут быть внедрены на действующих предприятиях. Применение такой продукции в стройиндустрии важно и с точки зрения реализации целевой программы «Дешевое и комфортное жилье - гражданам России», которой предусматривается повышение комфортности жилья, увеличение темпов и объемов строительства с использованием новых энерго- и ресурсосберегающих материалов.
Работа выполнена в рамках государственного контракта 02.552.11.7070
Литература
1. Корнилов, А. В. Влияние электромассклассификации цеолитсодержащего сырья на его свойства / А.В. Корнилов, В.А. Гревцев, К.Г. Николаев, Т.П. Конюхова, Е.Н. Пермяков//Вестник Казанского технол. ун-та. - 2009. - №6. - С.68-73.
2. Лузин, В.П. Эффективные строительные материалы с применением вулканического пепла /В.П. Лузин, В.А. Антонов, Л.П. Лузина // Строительные материалы. - 2009. - №4. - С.10-11.
3. Лузин, В.П. Строительные изделия на основе пирокластического материала / В. П. Лузин [и др.] // Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии. Материалы ХУ Академических чтений РААСН - междун. научн-техн. конф. Казань. Изд-во Казан. гос. арх.-строит. ун-та. 2010. Т.2, - С. 159-162.
4. Садыков, Р.К. Нерудные полезные ископаемые: возможности использования / Р.К. Садыков, В. П. Лузин // Ресурсоэффективность в Республике Татарстан. Казань. 2005. № 2. С. 12-16.
5. Пат. 2158242. Российская Федерация. Способ получения искусственного пористого заполните-ля-керамзита /В П. Лузин, Л.П. Лузина, С.О Зорина. В.Г. Суховерков Опубл. 27.10.2000. Бюл. №30.
© В. П. Лузин - геол.-мин., вед. науч. сотр. отдела технол. испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», root@geolnerud.net; А. В. Корнилов - д-р техн. наук, зав. отделом технол. испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд»; К. Г. Николаев - мл. науч. сотр. того же отдела; Л. П. Лузина - вед. инж. того же отдела.
