CC BY
22
УДК 666.263.2(571.52)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПОРИСТОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩЕЙ ПОРОДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ «КАМЕННЫЙ» РЕСПУБЛИКИ ТЫВА
Саая Б.О., Саая С.С.
Тувинский государственный университет, Кызыл
TECHNOLOGICAL PARAMETERS WHEN RECEIVING POROUS FILLER ON THE BASIS OF THE ZEOLITE-CONTAINING BREED OF THE STONE DEPTH RESERVE
Saaya B.O., Saaya S.S. Tuvan State University, Kyzyl
Ужесточение требований нормативных документов по регулированию показателей расчетного термического сопротивления внешних ограждающих конструкций приводит к созданию новых видов теплоизоляционных материалов. Одним из таких материалов является пеностеклокристал-лические материалы (ПСКМ), имеющие стекольную основу и обладающие высокой прочностью при сжатии, низким водопоглощением и долговечностью. Сырье для производства ПСКМ по химическому составу должно соответствовать определенным требованиям ГОСТ на кремнеземни-стое сырье. Создание и разработка эффективных теплоизоляционных материалов требует поиска и исследования местной сырьевой базы.
Получены ПСКМ в виде гранул на основе цеолитсодержащей породы (ЦСП) месторождения «Каменный» путем применения двухстадийного способа, состоящего из следующих этапов: предварительная термообработка смеси, состоящей из ЦСП (80%) и технической соды (20%) для получения стеклогранулята, имеющего стеклообразную основу; приготовление газообразующей шихты с добавлением газообразователя с последующим вспениванием при различных температурах. Полученные образцы гранул имеют следующие характеристики: объемная насыпная масса - 350 кг/м3; прочность при сжатии - 2,6 МПа; водопоглощение - 9,0 %. Ключевые слова: пористый заполнитель, цеолитсодержащая порода, месторождение, вспенивание, температура, водопоглощение.
Resistance of external walling leads to the creation of new types of thermal insulation materials because there is a tightening the requirements of regulatory documents on the regulation of indicators. One of such materials is foam glass-crystalline (PSKM) materials having a glass base which has high compressive strength, low water absorption and durability. Raw materials for the production of PSKM chemical composition must meet certain requirements of GOST on silica raw materials. The creation and development of effective thermal insulation materials requires the search and study of local raw materials.
Received PSKM in the form of granules based on zeolite-containing rock (DSP) of the Kamenny deposit by applying a two-stage method, which consists of the following stages: preliminary heat treatment of the mixture consisting of DSP - 80% and technical soda - 20% to obtain glass-glass having glassy basis and preparation of a gas-forming mixture with the addition of a blowing agent, followed by foaming at different temperatures. The obtained samples of granules have the following characteristics: - bulk bulk density - 350 kg / m3; compressive strength - 2.6 MPa; water absorption - 9.0%. Keywords: porous aggregate, zeolite-containing rock, field, foaming, temperature, water absorption.
Создание и разработка высокоэнергосберегающих материалов, имеющих такие свойства, как тепло- и звукоизоляция, эко-логичность, пожаробезопасность, а также
обладающих химической и биологической стойкостью является наиболее актуальной задачей в области производства строительных материалов.
В России ежегодно потребляется огромное количество невозобновляемых энергоресурсов. Более четверть данных ресурсов затрачивается на теплоснабжение общественных и промышленных зданий. Из-за высокого коэффициента теплопроводности наружных ограждающих конструкций, 1/3 тепловой энергии теряется впустую. Для сокращения теплопотерь через наружные ограждающие конструкции на государственном уровне решен вопрос об изменении норм и требований нормативных документов, а именно показателей расчетного термического сопротивления внешних несущих конструкций. Ужесточение норм приводит поиску новых видов теплоизоляционных материалов, отвечающих требованиям.
Имеющие теплоизоляционные материалы обладают рядом недостатков: высокое во-допоглощение, что приводит к увеличению теплопроводности; низкая долговечность, которая приводит к потере теплоизоляционных свойств.
Решение вопроса о высокой тепловой потере ограждающих конструкций может решить применение однослойных стеновых конструкций на пористых заполнителях.
В настоящее время в эксплуатации имеются бетонные панели на пористых запол-
нителях из керамзитового гравия - керамзи-тобетон. При хорошем сочетании бетона с керамзитовым гравием керамзитобетон имеет ряд недостатков. Для производства керамзитового гравия требуется вспучивающиеся глины, месторождения которых имеют ограниченное количество. Высокая насыпная плотность керамзитового гравия не обеспечивает достаточную теплопроводность материала.
Одним из видов теплоизоляционных материалов является пеностеклокристаллический материал (ПСКМ), обладающий такими эксплуатационными характеристиками как: низкая тепло- и звукоизоляция, долговечность, био- и коррозостойкость и т.д.
ПСКМ выпускается в виде блоков и гранул, которые применяются в качестве заполнителя для бетона, а также засыпного утеплителя для ограждающих конструкций.
Цель работы - получить ПСКМ в виде гранул на основе местного сырья, а также выбор технологических параметров.
Основной компонент для производства ПСКМ должен соответствовать требованиям ГОСТ на кремнеземнистое сырье для стекловарения.
Республика Тыва обладает достаточным запасом кремнеземнистых сырьевых матери-
алов. Такими месторождениями является цео- В данной работе рассматривается получение литсодержащие горные породы (ЦСП) место- пористого заполнителя по одностадийному рождения «Каменный» и вскрышные породы способу производства, что исключает перво-угледобычи, образовавшиеся при добыче ка- начальную термообработку, снижающую за-менного угля следующих месторождений: траты на электроэнергию. Полученные при Каа-Хемский, Чаданский и Усть-Элегестин- таком способе образцы имеют водопоглоще-ский [1]. ние более 39% и насыпную плотность 500 кг/ Месторождение ЦСП «Каменный» распо- м3. Неудовлетворительные характеристики ложено в 24 км к северу от г. Кызыла, справа образцов связано с недостаточным образова-от автодороги Кызыл - Абакан [2] и пред- нием стеклофазы (более 70%). Из полученных ставлено песчаником красно-коричневого результатов работы [4] можно сделать вывод, цвета с мелкокристаллической структурой. что одностадийный способ получения пори-Средняя насыпная масса песчаной фракции стого заполнителя с применением в качестве (до 3 мм) составляет 1540-1650кг/м3, а меха- основного компонента ЦСП месторождения ническая прочность при сжатии - 28-32МПа. «Каменный» с содержанием стеклообразую-Минеральный состав ЦСП, по данным рент- щего оксида SiO2 (60,42%) является неэффек-генофазового анализа, представлен клиноп- тивным, и для решения вопроса предлагается тилолитом, монтмориллонитом, кварцем, применить двухстадийный способ, суть кото-ортоклазом. При этом содержание основных рого заключается во фриттировании шихты. минералов породы следующее: цеолита - 15- Работа выполнялась по следующей ме-40%, монтмориллонита - 8-10%, кварца - 22- тодике. Количество компонентов и состав 26%, ортоклаза - 32-37%, гидроксидов желе- шихты берется исходя из химического соста-за - 6-7% [3]. ва сырьевых материалов (см. таблица 1), коВ проделанной работе [4] в качестве ос- торый имеет следующее соотношение, в %: новного компонента шихты для производства 80 - ЦСП; 20 - кальцинированная сода. Здесь пористого заполнителя использован ЦСП кальцинированная сода играет роль плавни -месторождения «Каменный», которое по со- компонент позволяющий снизить температу-держанию основного стеклообразователя ры плавления ЦСП до 900 °С для получения SiO2 не соответствует требованиям ГОСТ. стеклогранулята.
Таблица 1 - Химический состав сырьевых материалов
Сырьевой материал Массовое содержание, %
SiO2 А12^ ТЮ2 CaO MgO K2O П.п.п.
ЦСП 60,43 11,64 0,40 6,12 5,45 1,92 2,49 1,99 10,478
Кальцинированная сода - - - - - - - 56,2 43,8
Получение ПСКМ состоит из двух стадий: образователя из известняка Хайыраканско-
- получение стеклогранулята (фриттирова- го месторождения в количестве 5 % поверх ние шихты); 100% шихты и подвергались вспениванию,
- вспенивание измельченного стеклограну- что является второй стадией.
лята с добавлением газообразователя. Для получения равномерной пористой
При первой стадии, шихта состоит из структуры образцов, газообразователь вво-
двух компонентов: ЦСП и кальцинированной дится в шихту в виде тонкоизмельчённого по-
соды. Эти компоненты в соответствующем рошка, и газообразующая смесь подвергается
соотношении подвергались совместному совместному помолу в шаровой мельнице.
помолу в шаровой мельнице. Совместный Использованная в качестве газообразова-
помол (тонкое измельчение) компонентов по- теля Хайыраканский известняк имеет плот-
зволяет более равномерно перемешать шихту, ную кристаллическую структуру и среднюю
а также внедрить один компонент в припо- плотность в пределах 2240-2620 кг/м3. Пре-
верхностные слои другого, что способствует дел прочности при сжатии составляет 460-
равномерному протеканию реакций стеклоо- 710 кг/см2.
бразования. Далее из механоактивированной Для вспенивания образцов изготовлены
шихты формовались цилиндрики с добавле- гранулы диаметром 3-5 мм с добавлением
нием связующего (воды) в количестве 10% воды в количестве 10% от массы газообразу-
от массы шихты. Изготовленные цилиндры ющей смеси. После естественной сушки при
диаметром 30 мм и высотой 10 мм подверга- комнатной температуре в течении 24 часов,
лись термообработке в муфельной печи при гранулы подвергались термообработке при
температурах 850 и 900 °С с выдержкой 30 температурах 800-850-900 °С с выдержкой
мин. Далее полученные стеклогрануляты из- 15 мин. Образцы для термообработки уста-
мельчались в шаровой мельнице до удельной навливали в предварительно до нужной тем-
поверхности 3000 см2/г с добавлением газо- пературы разогретую печь, выдерживали в
течение установленного времени и резко ох- произошло размягчения гранул, что привело
лаждали в воздушной среде. бы к увеличению объема в процессе газовы-
Результаты термообработки образцов не деления при распаде известняка. Из рисунка
привели к желаемому результату. Образцы 1 видно, что гранулы вспененные при темпе-
при всех температурах не имеют процесса ратурах 800 и 850 °С имеют матовую поверх-
вспенивания. Данный результат объясняет- ность. При температуре вспенивания 900°С
ся тем, что газообразующая шихта не име- гранулы уже имеют стеклянную поверхность,
ет достаточного количества компонента для что свидетельствует о начале образования
образования жидкой фазы (расплава), т.е. не стеклофазы (рис. 2).
Рис. 1. Образцы гранул вспененные при темпе- Рис. 1. Образцы гранул вспененные при температурах 800 и 850 °С ратурах 800 и 850 °С
Для достижения пористой структуры полученная смесь формовалась по вышеу-гранул, в состав газообразующей смеси до- казанной методике, и также подвергалась бавлен кальцинированная сода в количестве термообработке при температурах 800-85020 % от массы самой смеси. Добавление 900 °С. Для полученных образцов определя-кальцинированной соды позволит снизить лись физико-механические свойства, пред-температуру вспенивания до 900 °С. Далее ставленные в таблице 2.
Таблица 2 - Средние показатели физико-механических свойств полученных образцов
гранул
Температура вспенивания, °С Насыпная плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа Водопоглощение, %
800 380 3,6 8
850 185 2,1 11
900 300 3,3 25
Образцы вспененные при температуре 800 °С увеличились в объеме 1,5 раза. Структура этих образцов представлена неравномерным расположением пор различных размеров от 0,3 до 1 мм преобладанием мелких пор (рис. 3). Следует отметить, что поры имеют неправильную форму.
Увеличение объема гранул в 2,5 раза имеют образцы, вспененные при температуре
850 °С. В структуре этих образцов преобладает поры большого размера (рис. 4) с диаметром до 4 мм. Крупные поры окружены средними и мелкими порами. Поры в этих образцах расположены более равномерно, что способствует увеличению прочности при сжатии. Также выявлено, что поры имеют круглую форму, чем у образцов вспененные при температуре 800 °С.
Рис. 3. Образец гранул вспененный при темпе- Рис. 4. Образец гранул вспененный при температуре 800 °С ратуре 850 °С
При температуре вспенивания 900 °С увеличивается плотность, что связано с
структура образцов имеет поры большого расплавлением образцов. От температуры
размера (более 5 мм), соединенные между вспенивания также зависит прочность при
собой. Увеличение диаметра и соединение сжатии (рис. 7).
пор приводит к повышению водопоглоще- Дальнейшее увеличение температуры
ния образцов (рис. 5). приводит к полному расплавлению образцов
Установлено, что объемная насыпная и нарушению пористой структуры гранул, а
плотность гранул зависит от температуры также потери формы. При высоких темпе-
вспенивания (рис. 6). Уменьшение плот- ратурах увеличивается количество жидкой
ности гранул происходит до 850 °С и при фазы неспособной удерживать выделенные
увеличении температуры выше 850 °С газы в теле гранул.
5 ----------
800 850 900
Температура вспенивания, °С
Рис. 5. Зависимость водопоглощения от температуры вспенивания
щ
О 150 -I----
800 850 900
Температура вспенивания, °С
Рис. 6. Зависимость средней объемной насыпной плотности от температуры вспенивания
г ^----------
800 850 900
Температура вспенивания, °С
Рис. 7. Зависимость прочности при сжатии от температуры вспенивания
Дальнейшее увеличение температуры приводит к полному расплавлению образцов и нарушению пористой структуры гранул, а также потери формы. При высоких температурах увеличивается количество жидкой
фазы неспособной удерживать выделенные газы в теле гранул.
Количество жидкой фазы зависит от температуры и количества плавни, т.е. кальцинированной соды. Существует зависимость между количеством плавни и температуры, чем больше плавень, тем меньше температура.
Увеличение прочности при сжатии связано, тем что, при повышении температуры поры увеличиваются и соединяются между собой, нарушая пористую структуру гранул.
По результатам выполненных работ следует вывод, что цеолитсодержащая порода месторождения «Каменный» с использованием двухстадийного способа позволяет получить пеностеклокристаллический материал в виде гранул с удовлетворяющими характеристиками требований ГОСТ, содержащий ЦСП - 80%, технической соды -20%, газообразователь - 5%.
Для выбранного состава шихты, оптимальной температурой вспенивания является 850 °С, образцы которых имеют следующие характеристики:
- объемная насыпная масса - 185 кг/м3;
- прочность при сжатии - 2,1 МПа;
- водопоглощение - 11 %.
Добавление в состав шихты кальциниро-
ванной соды экономически нецелесообразно, так как она является привозным материалом. Тем не менее, кальцинированная сода как компонент снижающий температуру расплавления других компонентов позволило получить эффективный теплоизоляционный материал. Количество соды составляет в общем 40% от массы шихты (20% при фриттировании шихты и 20% при вспенивании гранул). Для дальнейшего исследова-
Библиографический список
1. Кара-сал Б.К., Чюдюк С.А. Вскрышные породы угледобычи - перспективное сырье для производства строительных материалов // Вестник Технические и физико-математические науки. 2017. № 3. С. 98-102.
2. Лебедев Н.И. Минеральные ресурсы Тувы: Обзор и анализ полезных ископаемых / Отв. редактор докт. геол.-мин. наук В.И. Лебедев. Кызыл: ТувИ-КОПР СО РАН. 2012. - С. 236.
3. Кучерова Э.А., Сат Д.Х., Кара-сал Б.К. Цеолит-содержащая порода - полифункциональная добавка для производства керамических стеновых материалов // Строительство. 2011. №8-9. С. 21-26.
4. Саая С.С., Саая Б.О., Сандан Р.Н. Выбор технологических параметров при получении пористого заполнителя на основе цеолитсодержащей породы Республики Тыва // Естественные и технические науки. 2016. №12. С. 339-342.
ния требуется решить вопрос о полном исключении привозных материалов из состава шихты или уменьшения их количества до минимума, что позволит снизить себестоимость конечной продукции. Решение данного вопроса требует поиска и исследования местной сырьевой базы, что расширит его на предмет получения строительных материалов.
References
5. Kara-sal B.K., Chyduk S.A. Overburden coal mining - a promising raw material for the production of building materials // Bulletin of Technical and Physical and Mathematical Sciences. 2017. № 3. P. 98-102.
6. Lebedev N.I. Mineral Resources of Tuva: Review and Analysis of Minerals / Ed. editor dr. geol.-min. sciences VI. Lebedev. Kyzyl: Tuvl-KOPR SB RAS, 2012. P. 236.
7. Kucherova, EA, Sat, D.Kh., Kara-sal, B.K. Zeolite-containing rock - a polyfunctional additive for the production of ceramic wall materials // Construction. 2011. №8-9. Pp. 21-26.
8. Saaya S.S., Saaya B.O., Sandan R.N. The choice of technological parameters in obtaining porous aggregate based on the zeolite-containing rock of the Republic of Tyva // Natural and Technical Sciences. 2016. №12. P. 339-342.
Саая Буян Оюн-оолович, заведующий лабораторией кафедры Промышленное и гражданское строительство, Тувинский государственный университет, Кызыл E-mail: [email protected]
Саая Светлана Сергеевна, к.т.н., доцент кафедры Городское хозяйство и строительство, Тувинский государственный университет, Кызыл E-mail: [email protected]
Saaya Buyan, Head of the Laboratory of the Industrial and Civil Construction Department, Kyzyl Tuvan State University
E-mail: [email protected]
Saaya Svetlana, Ph.D., Associate Professor of the Department of Municipal Economy and Construction, Tuvan State University, Kyzyl E-mail: [email protected]
