CC BY
312
4. Большаков В. И. Возможности использования отходов промышленности при изготовлении строительных материалов / В. И.Большаков, Н. В.Калиниченко, С. А.Щербак. // Строительство, материаловедение, машиностроение. Сб. науч. тр. Вып. 48, ч.3, (серии «Стародубовские чтения»). - Днепропетровск, ПГАСА, 2009. - С. 255-259.
5. Металурпя марганцю Украши / [Б. Ф.Величко, В. О. Гаврилов, М. I. Гасик та ш.]. - К. : Техшка, 1996. - 472 с.
6. Большая советская энциклопедия. - Интернет ресурс. - bse_lib.com.
7. Щербак С. А. Научные основы управления структурой строительных материалов на основе металлургических шлаков: дисс. д-ра техн. наук: 05.23.05 / Щербак Святослав Андреевич. - Днепропетровск, 2000. - 345 с.
8. Никифоров А. П. Тяжелые бетоны на шлакосодержащих вяжущих с комплексными модификаторами / Никифоров А. П. - Днепропетровск : „Пороги", 1996. - 232 с.
9. Общая характеристика отходов. - Интернет ресурс. - www.housestroika.ru / materialyi -iz - othodov - metallurgii / obshaya - harakteristika - othodov. html.
10. Бущвельне матерiалознавство: Пщручник / [Кривенко П. В., Пушкарьова К. К., Барановський В. Б. та ш.] - К.: ТОВУВПК «ЕксОб», 2004. - 704 с.
11. Пащенко О. О. В'яжучi матерiали: Щцручник / О. О. Пащенко, В. П. Сербш,
О. О. Старчевська. - К. : Вища школа., 1995. - 416 с.
12. Волженский А. В. Минеральные вяжущие вещества: (технология и свойства). Учебник для вузов / Волженский А. В., Буров Ю. С., Колокольников В. С. - 3-е изд., перараб. и доп. -
М. : Стройиздат, 1979. - 476 с.
13. Доменные шлаки в строительстве: Труды Совещания по комплексному использованию доменных шлаков в строительстве / Ред. Кол. А. Б. Виткуп и др. - К. : Госстройиздат УССР, 1956. - 450 с.
14. Устойчивость и активность шлаков. Вторичные строительные материалы. Технологии строительных материалов из отходов разборки зданий и металлургии. - Интернет ресурс. -http://s-center.ru/2009/06/ustojchivost-i-aktivnost-shlakov/
15. Металлургические шлаки в строительстве: для научных работников, инженеров и студентов высших технических учебных заведений. / [В. И. Большаков, В. З. Борисовский,
В. Д. Глуховский и др.]. - Днепропетровск, 1999. - 114 с.
16. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве / [В. С. Горшков, С. Е. Александров, С. И. Иващенко, И. В. Горшкова]. - М. : Стройиздат, 1985. -273 с.
17. Коновалов П. Ф. Атлас микроструктур цементных клинкеров, огнеупоров и шлаков / Коновалов П. Ф., Волконский Б. В., Хашковская А. П. - М. : Госстройиздат, 1962. - 208 с.
18. Гиндис Я. П. Технология переработки шлаков. / Гиндис Я. П. - М. : Стройиздат, 1991. - 280 с.
19. Элинзон М. П. Шлаки как заполнитель для легких бетонов. - М. : Гос. издательство по стройарх. и строй. материалам, 1959. - 195 с.
20. Slag atlas. - 2nd ed. - Dusseldorf: Verl.stahleisen GmbH, 1995 - 616 p.
21. Напрямки i перспективи використання вiдходiв металургшно!, прничорудно! та хiмiчноl промисловосп в бущвнищга. / [В. I. Большаков, Г. М. Бондаренко, А. I. Головко та ш.]. - Дншропетровськ : „Gaudeamus", 2000. - 140 с.
УДК 666:699.86
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОРИСТЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. Н. Деревянко, д. т. н., проф., Л. А. Потийко, асп.
Ключевые слова: энергосбережение, теплоизоляция, пористый, газообразование, термодинамика.
Постановка проблемы. В условиях постоянно повышающихся цен на энергоносители резко возрастает спрос на теплоизоляционные материалы.
Применение теплоизоляционных материалов позволяет сохранять и экономить тепловую энергию и обеспечивает защиту горячих и холодных поверхностей от потерь тепла и холода,
обеспечивает экономию топлива и энергии, обуславливают устойчивый режим работы технологического оборудования, создает безопасные условия труда.
В настоящее время теплоизоляционные материалы повсеместно используются в строительстве, поэтому выпускаются в большом объеме и широкого ассортимента. Цель теплоизоляции - ограничить количество передаваемого тепла, защитить от воздействий как низких, так и высоких температур. Использование теплоизоляционных материалов способствует существенной экономии топлива и во многих случаях интенсификации технологических процессов [1; 2]. Использование теплоизоляционных материалов позволяет сократить потери теплоты в энергетических установках, паро- и трубопроводах, а также создает условия для нормальной работы техники [3-8]. Изоляция поверхности оборудования и трубопроводов на тепловых электростанциях снижает потери теплоты в 25 раз. Так, например, снижение теплопотерь на 1 000 кВт установочной мощности составляют примерно 12 - 25 % расхода топлива. Потери же теплоты через слой изоляции составляют лишь 65 - 130 кДж/ч, что равно 0,5 - 1 % расхода топлива [9; 10].
Анализ публикаций. Используя основополагающие материалы, изложенные в трудах
Б. Г. Скрамтаева, П. П. Будникова, Ю. И. Бутта, А. В. Волженского, П. И. Боженова, Н. А. Попова, А. И. Августиника, В. В. Тимашева, И. И. Китайгородского, наиболее существенный вклад в развитие производства теплоизоляционных материалов внесли К. Э. Горяйнов, А. П. Меркин, В. А. Китайцев, Ю. П. Горлов, А. И. Жилин, А. Ю. Каминкас, В. И. Соломатов, М. И. Хигерович, А. В. Жуков, А. Т. Баранов, Ю. Л. Боборов, В. Н. Соков, Б. М. Румянцев, Г. Я. Кунос, Р. А. Андрианов, а также украинские ученые: В. М. Выровой, П. В. Кривенко, Р. Ф. Рунова, Вл. И. Дворкин, В. И. Мартынов, В. А. Мартыненко и другие. Ими были сформулированы научные концепции, исследованы закономерности получения высокопористых материалов с высокоорганизованной пористой структурой, способной обеспечить высокие функциональные свойства материалов; разработаны способы порообразования, реализованные в производстве [5; 11].
Цель. Рассмотрим способы получения пористых теплоизоляционных материалов и изучим их недостатки и преимущества для создания альтернативного способа, в котором отсутствуют недостатки существующих методов производства пористой теплоизоляции.
Пористые теплоизоляционные материалы обладают специфическими свойствами. Ряд свойств, определение которых связано с разрушением тела (например, истинная плотность, огнеупорность и др.), не зависят от пористости; большинство остальных в значительной мере определяются величиной пористости и характером строения.
Поскольку строение пористых материалов весьма разнообразно, а пористость изменяется в очень широких пределах, большинство резко отличается от свойств плотных материалов и может с увеличением пористости изменяться в ряде случаев на порядок и более.
Для правильного выбора пористых высокотемпературных материалов и понимания явлений, происходящих при их эксплуатации, необходимо знать свойства материалов и их зависимость не только от химической природы исходного сырья и фазового состава, но и от закономерности их изменения с увеличением пористости для различных типов структур [12].
Основными факторами, влияющими на рабочие свойства пористого высокотемпературного теплоизоляционного материала, являются его компонентный состав, микро- и макроструктура материала, технология его производства.
Основной материал. Из всего многообразия существующих способов поризации можно выделить шесть основных групп [13]: вспучивание, удаление порообразователя, неплотная упаковка, контактное омоноличивание, объемное омоноличивание, создание комбинированных структур.
Не все вышеперечисленные методы получения пористой структуры имеют одинаковую значимость. Некоторые из них применяются широко, а другие ограниченно в силу различных причин или вовсе не используются. У каждого из этих методов есть свои преимущества и недостатки, и целесообразность применения того или иного способа диктуется видом сырья, технологичностью, требованиями к готовым изделиям.
В производстве пористых керамических материалов в основном используются три способа [14]:
1) введение выгорающих добавок с низкой зольностью;
2) добавление к суспензиям керамического материала пенообразователей или отдельно приготовленной пены;
3) газообразование с использованием химических реакций.
Выбор метода порообразования зависит от требуемой пористости и заданной структуры. Для получения материалов с пористостью до 30 - 32 % и равномерными порами обычно используют составы на основе спекшегося зернистого узкофракционированного наполнителя, связываемого высокодисперсным компонентом того же химического состава. Пористость может быть несколько повышена заменой плотных зерен наполнителя пористыми гранулами.
Материалы с пористостью до 50 - 60 % получают методом выгорающих добавок. Наиболее высокая пористость, вплоть до 85 - 90%, достижима только при использовании газовых методов.
Метод химического порообразования основан на вспучивании массы газом, выделяющимся при химических реакциях взаимодействия или разложения присутствующих или специально вводимых добавок. Образование пористой структуры при химическом порообразовании складывается из нескольких последовательных процессов, главными из которых являются химическое взаимодействие с образованием газовых пузырьков, их расширение и перемещение, фиксация ячеистой структуры [12]. И. Я. Гузман предложил разделить процессы газообразования по типам реакций [12]:
а) между карбонатами и кислотами. При взаимодействии доломита и серной кислоты выделяется углекислый газ;
б) между основаниями, кислотами и солями. Вспучивание происходит в результате улетучивания образующегося 81Б4Реакция не имеет широкого применения, однако из смеси гидратов алюминия или алюмосиликатов в сочетании с АШ3 изготовляли высокоглиноземистые и корундовые огнеупоры с пористостью до 90 %;
в) между металлами (А1, Са, Mg, 2п и др.), кислотами и основаниями с выделением водорода;
г) между органическими соединениями (при введении в массу тонкоизмельченного глинозема, смеси толуилендиизоцианата или глицеринового полиэфира адипиновой кислоты).
Способ химического вспучивания позволяет достаточно широко регулировать строение изделий по количеству образующихся пор и их размеру варьированием дисперсности и содержания газообразующих добавок. Например, при получении пористых материалов на основе доломита внимание уделяется размерам частиц доломита, концентрации реагирующих веществ и температуре. Строение химического легковеса, полученного этим методом, при кажущейся плотности около 700 кг/м3 равномерное, наблюдается лишь некоторая ориентация пор в направлении литья. При допущении, что зерна доломита сферические и плотность доломита равна 2 800 кг/м3, масса частиц размером 0,1 мм составит 1,47-10-6 г, а объем полученного газа 0,3 мм3, что соответствует диаметру пор 0,83 мм.
Немаловажное влияние на коэффициент вспучивания имеет температура глиняного шликера. Например, для обеспечения максимального коэффициента вспучивания шликера температура для каолинито-гидрослюдистых глинистых пород составляет 60 °С, для монтмориллонитовых - 50 °С, а при использовании тонкодисперсных высокопористых природных минеральных наполнителей, являющихся стабилизаторами структурной прочности поризованных керамических шликеров, оптимальная температура шликера составляет 40 °С [15].
Способ химического вспучивания позволяет достаточно широко регулировать строение изделий по количеству образующихся пор и их размеру варьированием дисперсности и содержания газообразующих добавок, а также температурой исходной шликерной массы. Однако он создает структуру с открытой пористостью, а также требует нагрева до высокой температуры и четкого режима вспучивания. То есть интервал температуры, при которой происходит вспучивание, находится в небольших пределах, все это усложняет технологию изготовления.
Однако, что касается метода газообразования, то после процесса вспучивания, который протекает при введении газообразующих добавок и схватывании формовочной массы, сырец требует тепловой обработки в автоклавах (при температуре 180 °С с избыточным давлением
12 Ат), что связано со значительной энергоемкостью (46 кг у.т./т.). При использовании данного способа возможно снижение В/Т и, как следствие, изделие имеет высокую прочность
(35 кгс/см2), но открытую пористую структуру.
Существенное влияние на строение оказывают выгорающие добавки, которые разобщают керамические составляющие. Повышая пористость материала, выгорающие добавки
одновременно его разрыхляют. Способ выгорающих добавок основан на введении в формовочную массу и последующем выжигании органических добавок. Данный способ применим только для керамических высокопористых материалов [13], так как для материалов другого состава выжигание добавки невозможно. При этом имеется возможность точно регулировать среднюю плотность получаемых изделий, не требуется введение в формовочную массу большого количества воды, вследствие чего сушку сырца можно проводить без форм по ускоренному режиму при существенной экономии топлива [16].
В качестве выгорающих добавок используют любые твердые горючие материалы, применение которых экономически целесообразно, в том числе древесные опилки разных пород, древесный уголь, древесную муку, различные виды каменных углей - бурый, антрацит, битумно-навозный; продукты коксования - кокс, нефтяной кокс, смолы, гудрон, графит, торф, а также ряд других материалов - пробковую и бумажную пыль, просяную и рисовую шелуху, рубленую солому различных злаков [12].
Необходимо также учитывать, что форма зерен выгорающей добавки оказывает существенное влияние на прочность готовых изделий. При выгорании добавок в межпоровых перегородках образуются микротрещины, которые играют роль компенсаторов напряжений, возникающих при цикличном нагревании и охлаждении материалов во время их службы в конструкции, в результате чего несколько увеличивается термическая стойкость изделий. Недостатком данного способа является ограничение верхнего предела пористости 65 %. Это объясняется тем, что традиционные выгорающие добавки образуют после выгорания поры неправильной формы, создающие в материале при его нагружении высокие напряжения. Этот недостаток исключают, применяя мелкие фракции (менее 0,5 мм) бисерного полистирола. Можно отметить разработанный в МИСИ им. В. В. Куйбышева способ самоуплотняющихся масс, сущность которого состоит в использовании давления вспенивающихся внутри массы зерен полистирола. Применение полистирола в качестве выгорающей добавки создает ряд преимуществ по сравнению с традиционными выгорающими добавками. Введенный в формовочную смесь в заданном количестве подвспененный полистирол в процессе окончательного вспенивания производит уплотнение поризуемой подвижной массы, помещенной в перфорированную замкнутую форму, и выжимает из нее до 70 % воды затворения. При этом достигаются выштампованные изделия заданной формы, уплотнение каркасообразующего материала и безусадочная сушка изделий. Во время обжига полистирол выгорает, образуя сферические поры [13]. При выгорании он не оставляет после себя золы, что, как правило, сопряжено со снижением огнеупорности материалов; низкая температура полного разложения полистирола (823 К) на диоксид углерода и воду и малая масса облегчают его удаление из обжигаемого материала и делают этот вид добавки пригодным для получения всех видов керамических теплоизоляционных материалов [13; 16]. Исследована возможность замены дефицитного дорогостоящего пенополистирола при производстве «Порокерама» лигнином - отходом гидролизного производства.
Получить керамический материал с кажущейся пористостью 92 % возможно с использованием выгорающей матрицы из пенополиуретана и суспензии из шихты ультрафарфорового состава и 2 % водного раствора поливинилового спирта. Недостатком данного способа является безвозвратная потеря матрицы.
Метод введения выгорающих добавок получил широкое распространение при производстве керамических теплоизоляционных материалов. Однако данный метод позволяет получить материал с пористостью не более 65 %, при этом материал получается с неоднородной структурой, что приводит к его разрыхлению как следствие, низкой прочности. При формовании сырца этим способом появляется возможность точно регулировать плотность изделий, также не требуется вводить большое количество воды. Но завершающими этапами при производстве данным методом являются сушка и обжиг, что делает метод выгорающих добавок энергоемким, так как расход энергоресурсов при его использовании составляет 77 кг у.т./т.
Все недостатки, присущие вышеизложенным методам, отсутствуют в пенометоде. Пенометод при производстве огнеупорных легковесных изделий является наиболее трудоемким и сложным, но он позволяет получать изделия различного состава с низкой кажущейся плотностью. Определяющими в этом методе являются [12]:
• выбор пенообразователя, позволяющего получить мелкоячеистую пену с устойчивостью не менее 4 часов;
• тонкое измельчение огнеупорного заполнителя для получения устойчивой пеномассы;
• использование пористого заполнителя для улучшения структуры изделий и снижения воздушной и огневой усадки пеномассы.
Пенный метод позволяет изготовлять изделия с наиболее высокой общей пористостью. Этот прием основан на введении в керамический шликер пенообразователей или на смешивании заранее приготовленной технической пены со шликером.
Размер пор у материалов, полученных с использованием пенообразователей, зависит от размера ячеек пены, который характерен для каждого пенообразователя. Например, пена на основе клееканифольного пенообразователя имеет средние ячейки размером 0,5-0,6 мм, у сапонинового ячейки мельне - в среднем 0,2-0,3 мм. Поэтому некоторые ученые считают, что строение пористой керамики, полученной пенометодом, почти не поддается регулированию [17]; а другие утверждают, что органически присущим недостатком пенометода является неоднородная структура изделий. Например, шамотному легковесу присущи пустоты и трещины, что объясняется неблагоприятными реологическими свойствами массы, ее чрезмерной вязкостью и повышенным напряжением сдвига. Пористость и степень закрытия пор в оболочках напрямую влияют на величину усадки. Что касается крупных пустот, то они на спекание и усадку влияния не имеют.
Изделия, получаемые этим способом, характеризуются наиболее низкой объемной массой и относительно высокой прочностью. Однако способ пенообразования имеет ряд серьезных недостатков технологического характера. Во-первых, его применение сопряжено с необходимостью тонко измельчать исходные материалы, чтобы предотвратить разрушение пены. Во-вторых, он требует введения в формовочные массы большого количества воды затворения для получения устойчивой во времени пенокерамической массы. Высокая влажность пеномасс приводит к значительному увеличению продолжительности сушки сырца (иногда до 5 сут). При этом наблюдаются значительные усадочные деформации, приводящие к короблению изделий. Изделия, полученные пенным способом, дорого стоят. Способ пенообразования в технологии керамических изделий применяется ограниченно [18; 19].
Современные исследования в области разработки и применения материалов, полученных с помощью пенного метода, позволяют исключить такие энергоемкие процедуры как сушка или автоклавная обработка. Например, И. М. Баранов разработал неавтоклавный пенобетон на золосиликатном вяжущем с плотностью 150-500 кг/м3. Этот материал не нуждается в применении какой-либо тепловой обработки и время его твердения составляет 30-60 мин, что значительно меньше по сравнению с подобными материалами, но не достаточно мало для выведения производства данного материала на конвейер [20].
Выводы. Рассмотрение способов получения пористых теплоизоляционных материалов позволило изучить достоинства и недостатки технологий [14; 16; 20 ]. В настоящее время уже существует альтернативный способ, в котором отсутствуют недостатки вышеописанных методов. Таким способом является смешанный метод, то есть поризация материала с помощью технической пены, а увеличение прочности сырца и снижение влажности происходят за счет введения дисперсных волокон и газообразующих веществ. Технология получения такого материала исключает процесс тепловой обработки материала и обжиг. Однако данному способу присущи свои недостатки, которые состоят в регулировании времени вспучивания и повышенном влагосодержании сырьевой смеси, что усложняет процесс твердения смеси, тем самым способствует получению неудовлетворительных параметров технологического процесса.
Анализ и предварительные испытания позволили разработать безобжиговый высокотемпературный теплоизоляционный материал и технологию его изготовления с требуемой удобоукладываемостью и низкими сроками твердения смеси, а также достаточной монтажной прочностью после распалубки, путем интенсификации процессов твердения, управления термодинамикой химических реакций.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Шидловський А. К. Паливно-енергетичний комплекс Украши на пороз1 третього тисячолггтя / А. К. Шидловський: за ред. М. П. Ковалка - К. : УЭЗ. - 2001. - 400 с.
2. Ольховский Г. Г. Перспективы развития теплоэнергетики / Г. Г. Ольховский,
А. Г. Тумаковский // Энергия - 2003.- № 4.- С. 9- 16.
3. Баженов Ю. М. Технология бетонов: [учеб. пособ. для тех. спец. строит. вузов] / Ю. М. Баженов. [2-е изд.]. - М. : Высшая школа, 1987.- 415 с.
4. Волженский А. В. Минеральные вяжущие вещества: [учебник для вузов] / А. В. Волженский. [4-е изд.]. - М. : Стройиздат, 1986.- 464 с.
5. Справочник по производству теплоизоляционных и акустических материалов: [изд. по строит.] / под ред. В. А. Китайцева.- М. : 1964.-524 с.
6. Текунов Ю.Н. Теплоизоляция промышленного оборудования и трубопроводов / Ю. Н. Текунов.- М. : Стойиздат, 1985. - 453 с.
7. Ахтямов Р.Я. Применение эффективных теплоизоляционных материалов и жаростойких бетонов в футеровках печей обжига керамического кирпича / Р. Я. Ахтямов // Строительные материалы. - 2004. - № 2. - С. 26-28.
8. Стрелов К. К. Теоретические основы технологии огнеупоров / К. К. Стрелов.- М. : Металлургия, 1985. - 480 с.
9. Стрелов К. К. Структура и свойства огнеупоров / К. К. Стрелов. М. : Металлургия, 1982.- 208 с.
10. Меркин А. П. Ячеистые бетоны: научные и практические предпосылки дальнейшего развития / А. П. Меркин // Строительные материалы. - 1995. -№ 2. - С. 11-13.
11. Справочник. Строительные машины / под ред. В. А. Баумана. [2-е изд.]. - М. : Машиностроение, 1977.- 496 с.
12. Гузман И. Я. Высокоогнеупорная пористая керамика / И. Я. Гузман.- М. : Металлургия, 1971. - 208 с.
13. Технология теплоизоляционных материалов: [учеб. для вузов] / Ю. П. Горлов,
A. П. Меркин, А. А. Устенко.- М. : Стройиздат, 1980. - 399 с.
14. Глуховский В. Д. Основы технологии отделочных тепло- и гидроизоляционных материалов / В. Д. Глуховский, Р. Ф. Рунова. К. : Высшая школа, 1988.-376 с.
15. Завадский В. Ф., Путро Н. Б., Максимова Ю. С. Поризованная строительная керамика // Строительные материалы. - 2004. - № 2. - С. 50 -51.
16. Горлов Ю. П. Технология теплоизоляционных материалов и изделий / Ю. П. Горлов.-М. : Высшая школа, 1989. - 384 с.
17. Иванов И. А. Технология легких бетонов / И. А. Иванов.- М. : Стройиздат, 1974.
-287 с.
18. Баранов И. М. Промышленная тепловая изоляция. Применение и производство / И. М. Баранов // Строительные материалы. - 2004. - № 5. - С.25.
19. Тепловая изоляция. Справочник строителя / В. Г. Кузнецов, В. И. Бельский,
B. П. Горбачев и др.: под ред. Г. Ф. Кузнецова. - М. : Стройиздат, 1985. - 421 с.
20. Баранов И. М. Пенобетон неавтоклавный на золосиликатном вяжущем / И. М. Баранов // Строительные материалы.- 2009. - № 8. - С. 28-29.
УДК 666.983
СТОЙКОСТЬ БАЗАЛЬТОВОГО ВОЛОКНА В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ
В. Н. Деревянко, д. т. н, проф., Л.. В. Саламаха, аспир., Е. Г. Кушнир, аспир., Е. С. Щудро, студ., А. Г. Смоглий, студ.
Ключевые слова: волокна, стойкость, твердение, портландцемент, сравнение.
Постановка проблемы. Применение в строительстве высокопрочных бетонов неразрывно связано с высокой чувствительностью таких бетонов к трещинообразованию. В качестве эффективного средства повышения прочности при растяжении и изменения трещинообразования высокопрочных бетонов в настоящее время рассматривается дисперсное армирование бетона. Для этого используются различные виды металлических и неметаллических волокон минерального или органического происхождения.
Базальтовые волокна отличаются от других минеральных волокон не только своими высокими физико-механическими свойствами, но и повышенной химической стойкостью, температуро-, свето- и атмосферостойкостью, но и, что немаловажно, простотой технологии производства, невысокой стоимостью и экологической безопасностью. При применении этих волокон в качестве армирующих компонентов для изготовления дисперсно-армированных
