CC BY
10УДК 666.189.3
С.А. МИЗЮРЯЕВ, канд. техн. наук, А.Н. МАМОНОВ, инженер, Самарский государственный архитектурно-строительный университет;
B.М. ГОРИН, канд. техн. наук, генеральный директор,
C.А. ТОКАРЕВА, директор, ЗАО «НИИКерамзит» (Самара)
Структурированный высокопористый силикатнатриевый материал повышенной тепло- и термостойкости
Характеристики производимых строительных материалов и изделий должны максимально соответствовать их основному назначению. Одним из методов решения этой задачи является управление структурой материалов.
В последнее время в связи с непрерывным ростом требований к качеству строительных материалов задача структурирования выдвигается на одно из первых мест. Косвенным подтверждением этого утверждения может служить тот факт, что почти в каждой работе, представленной на XV академических чтениях РААСН (Казань, 2010 г.), были затронуты вопросы управления структурой.
В Самарском государственном архитектурно-строительном университете на кафедре ПСМИК совместно с учеными НИИКерамзита в рамках научного направления «Исследования в области технологий производства эффективных строительных материалов, изделий и конструкций» с 2002 г. и по настоящее время проводятся исследования по разработке высокопористых материалов и изделий различного назначения на основе жидкого стекла. Отличительной характеристикой жидких стекол является их интенсивное вспучивание при нагреве с уменьшением плотности более чем в 50 раз.
Следует отметить, что работы в данном направлении ведутся в Саранске [1], Томске [2], Саратове [3] и др.
Проблема изготовления изделий на основе жидкого стекла заключается в том, что при вспучивании больших объемов жидкого стекла, например при производстве плит или скорлуп, структура изделий очень неравномерна, в силу того что вспучивание происходит неодновременно по всему объему, а образующиеся пористые участки структуры еще больше усиливают такую неравномерность. К тому же удаляемая при термообработке влага приводит к разжижению массы и, как следствие, к слиянию пор и увеличению объема пустот.
Известно, что введение в состав жидкого стекла порошкообразных и волокнистых наполнителей приводит к структурированию системы, что позволяет получать более однородные структуры. Однако известные наполнители либо имеют значительную плотность, что приводит к увеличению плотности получаемого материала, либо имеют отличный химический и минералогический состав, что отрицательно влияет на долговечность теплоизоляционных изделий при многократном нагреве и охлаждении (термостойкость) вследствие разности значений коэффициентов термического расширения компонентов.
Данная проблема решалась авторами с позиции двухуровневого структурирования. Структурой первого уровня является каркас из пористых гранул размером
3—10 мм. Роль структурного фактора второго уровня, заполняющего межзерновое пространство (матрица), выполняет термически вспученное жидкое стекло, модифицированное высокопористым порошком размером 0—2,5 мм.
В качестве структурного компонента первого уровня использовали силикатнатриевый пористый заполнитель плотностью 240 кг/м3 [5], изготовленный в СГАСУ на лабораторной установке барабанного типа.
Для создания материала с эффективной структурой и улучшенными термическими характеристиками на основе каркаса из пористых гранул требуется матрица, заполняющая межзерновое пространство (структурный компонент 2-го уровня), которая, по нашему мнению, должна удовлетворять следующим требованиям:
— иметь хорошую адгезию к поверхности гранул, в данном случае на основе модифицированного жидкого стекла;
— иметь высокую равномерно распределенную пористость;
— иметь термостойкость не хуже гранул каркаса;
— для обеспечения высокой термостойкости иметь термические деформации, сходные с материалом пористых гранул каркаса.
Очевидно, что оптимальным материалом для создания подобной матрицы является жидкое стекло. По этому пути пошли ученые из Мордовского государственного университета. Но жидкое стекло, вспучиваясь даже в небольших по размеру межзерновых порах, значительно проявляет свою неоднородность [2]. К тому же прочность такой матрицы крайне мала.
Решением данной проблемы было бы введение в жидкое стекло такого наполнителя, который:
а) еще более ограничивал объем вспучивания жидкого стекла;
б) не повышал плотность;
в) для обеспечения термостойкости был по составу сходен с жидким стеклом.
Исследования, проведенные авторами, позволили решить данную проблему относительно просто. Эффект достигается тем, что в качестве матрицы используется жидкое стекло, а в качестве наполнителя — высокопористый пористый порошок, полученный размолом вспученного при термообработке жидкого стекла. Для получения такого порошка жидкое стекло термообра-батывалось при температуре 300оС, а полученная пори-зованная масса размалывалась до размера 0—2,5 мм. В среднем насыпная плотность такого порошка составила 60—80 кг/м3.
Из смеси полученного таким образом жидкого стекла и порошка, взятых в соотношении от 1:0,25 до 1:0,5, после термообработки при 250оС получали материал
8
научно-технический и производственный журнал
июль 2011
Рис. 1. Структура матрицы
.' 4 * t
- .
< *
; * У
Рис. 2. Структура отформованного изделия
Рис. 3. Состояние контактной зоны заполнитель-матрица после 100 циклов нагрева-охлаждения: 1 - матрица; 2 - зерно заполнителя
плотностью 65—100 кг/м3 с равномерной высокопористой структурой (рис. 1).
Технология получения высокопористого материала повышенной тепло- и термостойкости включает следующие операции:
1. Изготовление на основе модифицированного жидкого стекла полифракционного пористого заполнителя, требуемой плотности и прочности.
2. Изготовление высокопористого силикатнатриево-го порошка (ПСНП) путем термообработки жидкого стекла при температуре 250—300оС с последующим помолом на практически любом измельчающем оборудовании.
3. Смешивание пористого заполнителя, высокопористого силикатнатриевого порошка и жидкого стела.
4. Укладка смеси в форму.
5. Термообработка смеси при температуре 250оС.
Жидкое стекло вспучивается и одновременно связывает зерна ПСНП и гранулы заполнителя, заполняя в основном межзерновое пространство, что обеспечивает получение материала с равномерной высокопористой структурой, причем объем самого изделия увеличивается незначительно (рис. 2).
В ходе работы было определено оптимальное соотношение компонентов и их влияние на основные физико-механические характеристики получаемого материала. Было установлено, что оптимальное соотношение пористые гранулы : матрица составляет 10:1 по массе. На полученных составах по описанной технологии были изготовлены и испытаны опытные образцы. Результаты испытаний приведены в таблице.
Данные таблицы показывают, что полученный материал отличается пониженной плотностью и низким коэффициентом теплопроводности, что является одним из наиболее важных показателей теплозащитных свойств материалов и конструкций.
Необходимо отметить, что прочность предлагаемого материала достаточна для складирования, транспортирования, монтажа и эксплуатации в качестве навесных теплоизоляционных изделий и конструкций.
Достаточно высокая теплостойкость объясняется высокой степенью однородности физико-химических свойств по всему объему материала. Дифференциально-термические исследования различных зон полученного материала также подтвердили его однородность.
Огнестойкость предлагаемого теплоизоляционного материала обеспечивается за счет использования для его изготовления только минеральных веществ и материалов с однородными свойствами.
Теплостойкость определялась как по стандартным методикам, так и по состоянию контактной зоны заполнитель—матрица. На рис. 3 видно отсутствие дефектов в данной зоне после 100 циклов нагрева до максимальной температуры применения и воздушного охлаждения.
К достоинствам технологии предлагаемого материала можно отнести замкнутость цикла, то есть отходы, образующиеся при его производстве, полностью используются в качестве наполнителя — пористого сили-катнатриевого порошка.
Ключевые слова: структурирование, жидкое стекло, термостойкость, прочность, теплостойкость, технология.
Таблица
Характеристики Состав матрицы (жидкое стекло: ПСНП)
1 : 0,25 1 : 0,5
Соотношение
пористые гранулы: матрица, массовые доли 1 : 0,1
Средняя плотность, кг/м3 365 350
Средняя прочность при сжатии, МПа 0,55 0,42
Средняя прочность при изгибе, МПа 0,09 0,07
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м . К) 0,094 0,088
Предел огнестойкости при толщине 50 мм, мин 20 25
Теплостойкость, воздушных теплосмен Более 100
Температура применения, максимальная, оС 730
Список литературы
1. Коротаев С.А., Ерофеев В.Т. Получение легких бетонов на поризованном стеклообразном связующем // Вестник Мордовского университета. 2008. № 4. С. 54-59.
2. Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю. Зернистый теплоизоляционный материал на основе модифицированного жидкого стекла из микрокремнезема // Строительные материалы. 2004. № 11. С. 12-13.
3. Иващенко Ю.Г., Сурнин А.А., Зобкова Н.В., Павлова И.Л. Композиция для изготовления сферических гранул для теплоизоляционного материала. Описание к патенту № 2158716 РФ RU // Опубл. 10.11.2000.
4. Способ получения водостойкого пористого заполнителя. Описание изобретения к патенту № 2406708 РФ RU // Опубл. 20.12.2010. Б.И. № 35.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
июль 2011
9
