CC BY
27УДК 666.973.6
В.А. БЕРЕГОВОЙ, канд. техн. наук (vabereg@rambler.ru), Е.В. КОРОЛЕВ, д-р техн. наук, Н.А. ПРОШИНА, канд. техн. наук, А.М. БЕРЕГОВОЙ, д-р техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Методика подбора и обоснование компонентного состава сырьевых смесей для изготовления теплоизоляционных пенокерамобетонов
В последнее время особую актуальность приобрела проблема расширения области применения нетрадиционного (непластичного) природного сырья в керамике. В статье приведены результаты исследований по установлению возможности использования широко распространенных разновидностей опок в качестве минеральной основы ячеистого стеклокерамического материала. Такой выбор природного сырья обусловлен, с одной стороны, повсеместным распространением и невостребованностью опок, с другой — их микропористой структурой, низкой чувствительностью к сушке и прочностью получаемого черепка. Для регулирования реологических и обжиговых свойств в состав сырьевой смеси вводили также глинистый компонент на основе глин различных минеральных типов.
В ходе проведенных ранее исследований [1, 2] установлено, что прочность, достаточная для обжига пено-керамобетонного (ПКБ) сырца, обеспечивается наличием в составе сырьевой смеси 10—15% цемента. Управление структурообразованием ПКБ с учетом заданных показателей эксплуатационных свойств ячеистого материала осуществляли при помощи добавок, участвующих в формировании стекловидных фаз требуемого оксидного состава. Так, обоснование выбора добавок по показателю теплопроводности ПКБ осуществляли в результате анализа особенностей прохождения теплового потока по материалу межпоровых перегородок, а также физико-химических основ технологии производства стекла и керамики. В качестве добавок, эффективно регулирующих количество и теплопроводящие свойства стекловидной фазы, образующейся при обжиге ПКБ, целесообразно использовать:
— вещества, уменьшающие длину свободного пробега проводников тепла за счет увеличения количества
изолированных кремнекислородных тетраэдров в структуре материала;
— вещества, способствующие рассеиванию энергии тепловой волны за счет значительной тепловой инерции;
— легкоплавкие фритты на основе свинец- или борсо-держащих веществ (отходы производства оптического и боратного стекол).
При назначении компонентов состава сырьевой смеси ПКБ использованы расчетные зависимости, учитывающие влияние рецептурных и иных факторов на важнейшие эксплуатационные показатели ячеистого материала. Например, оценку теплопроводности ПКБ с учетом его сорбционного увлажнения при эксплуатации целесообразно проводить по уравнению:
^•ВПКБ
, л зу +у ч + х? .(з у -V л
_ /Ч,ПВС М ОСИ V1 -у В°ЗД ВОЗД' м_осн возд возд / ^ | ^
^"ПВС '(1— д/^возд ) + ^м-осн '>/^возд
где Хм-осн и ХПВС — коэффициенты теплопроводности материала основы и воздушной фазы, заполненной паро-воздушной смесью; 1^озд — относительный объем, занимаемый воздушными порами в материале.
Значение коэффициента теплопроводности воздушной фазы — по зависимости:
^зоя-си/^"+У )
^ ВОЗД ВОД \ -у „дзд возд/ ВОД „дзд „дзд/ ...
лпвс - I , I , '
где Хвозд и Хвод — соответственно коэффициенты теплопроводности воздуха и воды; Уозд — относительный объем, занимаемый воздухом в ячейках материала с учетом влажности.
Таблица 1
Состав, мас. % Катион Концентрация ионов Na+ и Ca2+ в растворе, мг/г, в зависимости от температуры обжига, С
без обжига 500 700 900
ПЦ (к) - 19; NaF -19; опока - 62 Ca2+ 1,4 1 0,4 0,1
Na+ 38,2 28 6,9 2,7
ПЦ (к) -19; Na2B4O7-nH2O -19; опока - 62 Ca2+ 16,4 8,3 6 3
Na+ 22,5 20,1 3,7 0,9
Примечание. ПЦ (к) - молотый портландцементный камень.
Таблица 2
Месторождение глины Е*, мг-экв на 100 г глины Минеральный тип глины Условное обозначение Влияние на пену
Иссинское 11,6 Каолинитовая Гл-1 Отрицательное
Пачелмское 31,1 Бейделлитовая Гл-111 Положительное
Малосердобинское 31,1 Гл-112 Положительное
Калгушкин Бугор-1 33 Гл-Иэ Резко отрицательное
Калгушкин Бугор-2 35,1 Гл-114 Положительное
Лягушевское 44 Монтмориллонитовая Гл-111 Положительное
Примечание. Е* - емкость катионного поглощения.
Величину Хм-осн определяли с учетом фазового соотношения и теплопроводности отдельных фаз материала-основы:
Хм
[ Хст Кст + Хкер (1 Кст),
(3)
где Хст и Хкер — соответственно коэффициенты теплопроводности стекловидной и керамической составляющих материала-основы; Уст — относительный объем, занимаемый стекловидной связкой в материале-основе.
Количество и химический состав стекловидной связки на этапе проектирования состава сырьевой смеси материала находили графическим способом с использованием диаграмм состояния силикатных систем [3], а также расчетных методов, применяемых в технологии керамики [4]. Во втором случае оксидный состав расплава находили по числу плавкости [5] с учетом химического состава цемента.
При определении величины Хст принимали во внимание значения коэффициентов, рассчитанные по методу Аппена [6].
Значение Хкер для известных керамических материалов принимали по справочным данным, а для малоизученных, например на основе опочного сырья, — экспериментальным путем на образцах с минимальной пористостью (Побщ < 5%).
Аналогично учитывали влияние содержания и свойства стекловидной фазы на свойства материала-основы ПКБ для оценки теплоемкости, термического расширения и прочности при сжатии [7].
При обжиге цементосодержащих сырьевых композиций существует вероятность образования свободного СаО, снижающего качество ячеистого материала. Были проведены эксперименты с целью установления влияния компонентного состава сырьевой смеси на образование в структуре ПКБ водорастворимых соединений. В табл. 1 приведены результаты, иллюстрирующие влияние добавок фторида и бората натрия на концентрацию ионов №+ и Са2+ в водной фазе суспензии порошков, полученных после измельчения образцов ПКБ.
Анализ данных табл. 1 показывает, что после обжига при температуре 900оС исследуемые материалы содержат незначительное количество водорастворимых соединений натрия или кальция. Это позволяет сделать вывод об их вхождении при обжиге в состав водостойких кристаллических и стекловидных фаз.
Поскольку основу сырьевой смеси ПКБ составляют вещества природного происхождения со сложным и зачастую изменчивым минералогическим составом, исследования влияния компонентов состава на свойства пен проводили на модельных системах. Модельные системы получали из 1% раствора синтетического пенообразователя (ПБ-2000), содержащего 10—25% минеральной добавки. Данные рис. 1 указывают на значи-
тельную зависимость кратности пены от вида минерального компонента.
Снижение кратности пены при наполнении минеральными компонентами обусловлено различием в показателях адсорбции молекул А-ПАВ (табл. 2), а также следующими основными факторами:
— для кремнистых компонентов — уменьшением объема жидкой фазы за счет значительного собственного водопоглощения;
— для портландцементов — увеличением жесткости воды при ее насыщении катионами кальция;
— для ВГЦ — критическим снижением концентрации пенообразователя за счет образования алюминийор-ганических соединений в результате химического взаимодействия А-ПАВ с гидроксидом алюминия, выделяющимся при его гидратации.
Результаты исследований показали также существенное различие влияния сырьевых компонентов на показатель устойчивости пены: опока и диатомит повышают устойчивость, цементы снижают, а для глин характерна значительная вариативность их влияния даже в пределах одного месторождения и имеющих схожую гранулометрию (табл. 2).
Как видно из табл. 2, отрицательное влияние на устойчивость пен оказывают глины Гл-1 и Гл-П3. С целью выяснения факторов, обусловливающих их негативное влияние, были исследованы химический состав, лио-фильные свойства и адсорбирующая способность различных глин по отношению к пенообразователю.
Для суспензии глины Гл-П3 было получено минимальное значение рН водной фазы (рН = 4,5), тогда как суспензии остальных исследованных глин имели щелочную среду (рН = 8,3—8,9). Таким образом, наличие в составе глин соединений, обусловливающих кислую реакцию водной фазы их суспензий (гумусовые кислоты и т. д.), является одним из негативных факторов, ухудшающих качество наполняемой пены. Очевидно, это связано с переходом хорошо растворимых ПАВ,
8
Ч 7 №
а 6
ф 5
с
¡2 4 § 3 Й 2 * 1 0
ВГЦ ПЦ ШПЦ Диато- Опока Глина I Глина II Без до-мит бавок
Вид минерального компонента
Рис. 1. Влияние минеральных компонентов на кратность пены. Здесь ВГЦ - высокоглиноземистый цемент; ПЦ - портландцемент; ШПЦ -шлакопортландцемент; глина I - каолинитовая; глина II - бейделлитовая
научно-технический и производственный журнал ^ ® июнь 2011 67"
123456789 Время, мин
Рис. 2. Влияние №3Р04 на стойкость пены, наполненной частицами глины: 1 - Гл-113 без добавки; 2 - Гл-1 без добавки; 3 - ненаполненная пена; 4 - Гл-113+ 0,5%№3Р04; 5 - Гл-1+ 0,5%№3Р04
входящих в состав пенообразователя, в менее растворимые органические кислоты.
Химический анализ водной фазы суспензий глин позволил установить, что наибольшее количество соединений, способных образовывать в водном растворе ионы Са2+ и Mg2+, содержит глина Гл-П3, которая и оказывает наиболее негативное влияние на устойчивость пены. Можно предположить, что наряду с ионами кальция и магния подобное влияние на устойчивость пен будут оказывать и другие многовалентные катионы, например катионы алюминия, железа и др. Однако, как показали результаты химического анализа, присутствие таких катионов в суспензиях исследуемых глин оказалось незначительным.
Анализ лиофильных свойств минеральных компонентов показал, что глины значительно различаются по величине коэффициента гидрофильности £лф: минимальное его значение получено для глины I (£лф = 2,19), а максимальное — для глины III (£лф = 5,1). Как показали исследования, при снижении коэффициента гидрофильности отмечается усиление негативного влияния глин на устойчивость пены.
Необходимость снижения негативного влияния отдельных минеральных компонентов на устойчивость пенокерамобетонного сырца предопределила целесообразность введения в состав сырьевой смеси ПКБ стабилизирующих добавок, в качестве которых были использованы органические вещества (полиакриламид, карба-мидно-формальдегидная жидкость, натриевая соль КМЦ и др.), а также электролиты (фосфаты, пирофос-фаты и силикаты щелочных металлов и др.).
В технологии керамики для улучшения реологических свойств сырьевых масс широко применяют добав-ки-разжижители на основе водорастворимых солей нат-
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
1
2
3
4
JZZL
5
Рис. 3. Влияние добавок на вязкость цементно-кремнистых растворов: 1 - без добавок; 2 - С-3 (0,08%); 3 - №3Р04 (2%) +С-3 (0,08%); 4 - Na3PO4 (3%) + С-3 (0,08%); 5 - Na3PO4 (3%) + С-3 (0,16%)
рия. Приведенный выше порядок подбора состава ПКБ предусматривает использование добавок натрийсодер-жащих электролитов для формирования минерально-фазового состава материала-основы с учетом тепло-физических и прочностных показателей ячеистого материала.
В этой связи были проведен экспериментальный выбор полифункциональных добавок, оказывающих позитивное воздействие как на технологические показатели пеноминеральной смеси (снижение водотвердо-го отношения, повышение устойчивости, снижение температуры и времени обжига), так и на физико-механические свойства пенокерамобетона.
Установлено, что введение фосфор- и фторсодержа-щих разжижающих веществ не оказывает существенного влияния на устойчивость ненаполненной пены, тогда как введение добавок хлорида, сульфата и карбоната натрия сопровождается ухудшением этого важнейшего показателя на 15—50 %. Наблюдаемое различие в характере влияния исследуемых разжижителей сохраняется и в минерализованной пене: в отличие от карбоната, тет-рабората и хлорида натрия фосфорсодержащие соли натрия способствуют значительному увеличению стойкости пеноминеральных смесей, в том числе получаемых на глинах, оказывающих негативное влияние на пену (рис. 2).
Позитивное влияние разжижающих веществ на стойкость пеноглинистых смесей обусловлено как эффектом уменьшения жесткости воды вследствие образования малорастворимых соединений, так и отсутствием отрицательного влияния на устойчивость нена-полненной пены.
Исследование совместного влияния добавок нат-рийсодержащих электролитов, пенообразователей и органических пластификаторов на вязкость непоризо-ванной сырьевой смеси ПКБ позволило установить наличие эффекта значительного усиления пластификации при совместном использовании пластификатора (С-3, ЛСТ, Мелмент, Мелфлюкс) и электролита (NaF или Na3PO4) (рис. 3). Наличие пенообразователя в растворе снижает положительный эффект, возникающий при совместном использовании добавок пластификатора и электролита.
Таким образом, в ходе проведенных исследований для теплоизоляционных керамобетонов разработан метод подбора основных компонентов их состава, а также добавок на основе неорганических солей, обладающих полифункциональным воздействием.
Ключевые слова: пенокерамобетон, теплоизоляция, трехфазные пены.
Список литературы
1. Береговой В.А., Прошина Н.А., Королев Е.В. Жаростойкие пенобетоны. Пенза: ПГУАС, 2007. 116 с.
2. Береговой В.А. Эффективные пенокерамобетоны для жилищного и специального строительства // Строительные материалы. 2008. № 9. С. 93—96.
3. Торопов Н.А., Барзаковский В.П., Лапин В.В. и др. Диаграммы состояния силикатосодержащих систем. Л.: Наука, 1970. 464 с.
4. Масленникова Т.Н., Харитонов Ф.Я., Дубов И.В. Расчеты в технологии керамики. М.: Стройиздат, 1991. 320 с.
5. Дудеров Ю.Г., Дудеров И.Г. Расчеты по технологии керамики. М.: Стройиздат, 1973. 80 с.
6. Павлушкин Н.М. Стекло: Справочник. М.: Строй-издат, 1973. 487 с.
7. Береговой В.А. Эффективные пенокерамобетоны для жилищного и специального строительства // Строительные материалы. 2008. № 9. С. 93—96.
