Разработка составов керамических масс для получения теплоизоляционно-конструкционной стеновой керамики

PDF файл (Скачать)

УДК 666.3/.7

№2, 2014г.

МРНТИ 67.15.47

УДК 666.3/.7 МРНТИ 67.15.47 С. А. Монтаев, д.т.н., проф., А.Т. Таскалиев, Н. Б. Адилова, к.т.н., Н. С. Монтаева, А. С. Монтаева, Е. М. Онаев, Ч. А. Кошалаков Западно-Казахстанский аграрно-технический университет им. Жангир хана, г. Уральск, Казахстан

Приведены результаты экспериментальных исследований по разработке составов теплоизоляционно-конструкционной стеновой керамики. Установлены основные закономерности изменения физико-механических свойств термообработанных образцов в зависимости от компонентного состава. Предлагаемая технология позволяет уменьшить материальные ресурсы и строительный объем на 20-25 %, снизить затраты на отопление - до 20-30 %, повысить долговечность до 80-100 лет и обеспечить 100 %-ную огнестойкость, создать комфортабельные условия для людей внутри зданий и сооружений зимой и летом. Энергетические затраты на производство предлагаемых композиционных теплоизоляционно-конструкционных керамических материалов в 1,5 раза меньше, чем затраты на производство материалов конкурентов традиционного кирпича. Ключевые слова: лессовидный суглинок, теплоизоляционно - конструкционные материалы, стеновая керамика, пористый наполнитель, дробленый керамзит.

____________________________________

Монтаев С. А. , Таскалиев А.Т., Адилова Н. Б. Монтаева Н. С. , Монтаева А. С. , Онаев Е. М., Кошалаков Ч. А. ЖЫЛУОҚШАУЛАҒЫШ ҚҰРЫЛЫМДЫҚ ҚАБЫРҒА КЕРАМИКАНЫ АЛУ МАҚСАТЫНДА КЕРАМИКАЛЫҚ МАССАЛАР ҚҰРАМЫН ЖАСАУ

Жылуоқшаулағыш құрылымдық қабырға керамиканы алу мақсатында керамикалық массалар құрамын жасау бойынша эксперименталды зерттеулердің нәтижелері көрсетілді. Шикізат массасының компоненттік құрамына қарай жоғары температурада өңделген үлгілердің физико-механикалық қасиеттерінің өзгеру заңдылықтары анықталды. Ұсынылатын технология материалдық ресурсты және құрылыс көлемін 20-25%, ал ғимаратты жылыту шығынын 20-30% төмендетуге, сонымен қатар ұзақмерзімділікті 80-100 жылға дейін арттыруға және отқа төзімділікті 100% қамтамасыз етуге мүмкіншілік береді. Зерттелген композициялық жылуоқшаулағыш-құрылымдық керамикалық материалдарды өндірудің энергетикалық шығындары кәдімгі кірпіш бәсекелестік материалдарды өндіруге кететін шығындарынан 1,5 есеге төмен болады. Кілт сөздер: лессты саз, жылуоқшаулағыш құрылымдық материал, қабырғалық керамика, кеуекті толтырғыш, уатылған керамзит.

_____________________________________

Montaev S. A., Taskaliev A.T., Adilova N. B., Montaeva N. S., Montaeva A. S., Onaev E. M., Koshalakov Sh. A. DEVELOPMENT OF COMPOSITIONS OF CERAMIC MATERIALS FOR RECEIVING OF THERMAL INSULATION - STRUCTURAL WALL CERAMICS

Results of studies on development of the insulating – constructional wall ceramics are given. The main consistent patterns of change of the physicist – mechanical properties of the samples depending on component structure determined. The proposed technology can reduce the material resources and building volume by 20-25%, reduce heating costs - 20-30%, improve the durability of up to 80-100 years and provide 100% fire resistance, to create comfortable conditions for people inside buildings in winter and summer . Energy production costs of the proposed com-position thermal insulation of structural ceramic materials 1,5 times less than the cost of production materials competitors traditionally brick. Key words: loam, heat-insulating – constructional materials, wall ceramics, a porous filler, shredded expanded clay.

Введение. Анализ рынка строительных материалов позволяет заключить, что наибольший спрос существует в настоящее время на теплоизоляционные материалы, причем следует ожидать стабильного роста именно этого сектора промышленности строительных материалов. Действительно, например, объем выпуска теплоизоляционных материалов на 1000 жителей составляет в Швеции 600 м³, США - 500 м³, в Финляндии - 420 м³, в России - 90 м³, в то время как в Казахстане аналогичные материалы не производятся [1].

Разработка технологических основ композитов, позволяющих замещать на рынке Казахстана импортные теплоизоляционные материалы, таких, как пенополистирол и материалов на основе стекловолокон, которые имеют ряд недостатков. Это обусловлено деструкцией полимеров в атмосферных условиях. Реальный срок службы полимерных теплоизоляционных материалов не превышает 10-15 лет [2-5]. Такие материалы не рекомендуются к использованию при температурах выше 80-100 ⁰С, а при 180-250 ⁰С начинают интенсивно разлагаться с выделением токсичных и пожароопасных веществ. Кроме того, они подвержены разрушению грызунами, мыши едят полимерные материалы.

Другими материалами, используемыми в настоящее время для теплоизоляции, являются минеральная вата и стекловолокно. Основной недостаток этих материалов - низкая долговечность теплоизоляции. Ориентировочная долговечность теплоизоляции из минеральной ваты в слое материала, примыкающего к наружной оболочке панели, составляет примерно 10-12 лет.

Другой недостаток – пыление при изготовлении и монтаже, что может привести к заболеванию рабочих силикозом. Уложенная в конструкцию минеральная вата уплотняется в процессе эксплуатации, а при попадании влаги стекловолокно сильно поглощает и удерживает ее и, как следствие, к увеличению средней плотности и к ухудшению теплоизоляционных свойств. Дополнительно снижает противопожарные характеристики материалов и их долговечность полимерная связка, используемая для скрепления волокон. Следовательно, минеральную вату также нельзя считать полностью неорганическим материалом, что приводит к указанным выше проблемам полимеров [6,7]. Поэтому большое значение имеет разработка технологии новых композиционных материалов на основе неорганических силикатных материалов и сырья, обладающие легкостью, негорючестью, экономичностью, экологичностью, долговечностью, технологичностью с улучшенными теплоизоляционными свойствами.

Методы исследований. Целью исследования является разработка компонентного состава керамической композиции для получения теплоизоляционно – конструкционного стенового материала. В качестве основного сырьевого материала использовали лессовидный суглинок Чаганского месторождения Западно-Казахстанской области. В качестве пористого наполнителя использовали дробленый керамзит, производимый ТОО «Стройкомбинат» г. Уральска. Химический состав лессовидного суглинка Чаганского месторождения приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав лёссовидного суглинка

Наименование

сырья

Содержание оксидов, асс.%

SiO₂

Al₂O₃

CaO

MgO

Fe₂O₃

SO₃

Na₂O

п.п.п

Лёссовидный суглинок Чаганского месторождения

51,27

12,13

11,97

2,09

4,88

2,43

3,56

11,67

Керамзит ТОО «Стройкомбинат» имеет среднюю плотность 400-450 кг/м³ и в основном используется для производства легких бетонов, а также как насыпная теплоизоляция при строительстве зданий и сооружений. Для проведения научно- экспериментальных работ лёссовидный суглинок сушили в сушильном шкафу ШСП-0,5-70 при температуре 80- 90 ⁰С до остаточной влажности 3- 5 %. Затем высушенный материал загрузили в лабораторную шаровую мельницу марки МШЛ-1П и производили помол до удельной поверхности 1200-1500 см²/г. Для подготовки пористого наполнителя керамзит насыпной плотности 400 кг/м³, подвергали дроблению в лабораторной мельнице МШЛ -100х250 до образования фракций 1-10 мм.

Приготовленные сырьевые материалы взвешивались на электронных весах, затем составлялась двухкомпонентная сырьевая композиция «лёссовидный суглинок – пористый наполнитель» в следующих предельных концентрациях составляющих компонентов, мас. %: лёссовидный суглинок 40-70, пористый наполнитель 30-60 (табл. 2).

Таблица 2

Компонентные составы керамической композиции

Номер состава	Компонент, асс. %
Номер состава	лёссовидный суглинок	пористый наполнитель
1	70	30
2	60	40
3	50	50
4	40	60
5	30	70

Из исследуемых составов методом полусухого прессования формовались образцы- цилиндры (50х50 мм) под прессом ПГМ-500 МГ4 при давлении 15 МПа. Формовочная влажность составляла 8-10 % от массы сухих компонентов. Отформованные образцы обжигались без предварительной сушки в электрической печи СНОЛ 80/12 по специально разработанному режиму.

Максимальная температура обжига составляла 950-1000 ⁰С. При максимальной температуре обжига образцы выдерживались в течение 1 ч, охлаждались в отключенной печи. Обожженные образцы после охлаждения подвергались испытанию с целью определения физико-механических свойств (табл.3).

Таблица 3

Физико-механические свойства исследуемых образцов

Номерсостава	Коэффициент чувствительности к сушке по экспресс- методуЧижского, с	Температура обжига, ⁰С	Средняя плотность,г/см³	Прочность при сжатии,Мпа	Тепло-водность,Вт/м^.К	Водопогло-щение,%
1	95	950+20	1,51	14,5	0,53	20,6
2	112		1,36	12,7	0,36	23,2
3	118		1,25	11,2	0,25	27,7
4	123	1000+20	1,15	8,6	0,15	28,1
5	130	1000+20	1,08	7,8	0,12	29,2

Результаты и обсуждения. Как показывают результаты экспериментальных исследований, с увеличением содержания пористого наполнителя за счет уменьшения лёссовидного суглинка наблюдается снижение средней плотности от 1,51 до 1,08 г/см³ и коэффициента теплопроводности - от 0,53 до 0,12 Вт/м^.К. При этом прочность при сжатии образцов находится в пределах 7,8-14,5 МПа. Несмотря на значительное снижение средней плотности по прочностным показателям, термообработанные образцы сохраняют требования ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические».

Анализ теплопроводных свойств наглядно показывает, что исследуемые составы № 4 и № 5 согласно классификациям теплоизоляционных материалов соответствует классу В (0,1-0,175 Вт/м К). Анализ изменения водопоглощения показывает, что, несмотря на значительное содержание пористого наполнителя (до 70 %) повышение показателей водопоглощения в исследуемых составах находится в пределах от 20,6 до 29,2 %. Общее повышение показателей водопоглощения составляет 8,6 %. По-видимому, пористый наполнитель фракций 1-10 мм в виде дробленого керамзита играет роль и армирующего компонента, а также пористого наполнителя в составе керамической массы. Вероятно, дробленый керамзит, будучи компонентом, прошедшим высокотемпературную обработку, обладает повышенной активностью по отношению к процессу спекания с глинистой массой. При этом пористый наполнитель в составе керамической массы проходит повторную термообработку в процессе обжига исследуемой композиции.

Судя по изменениям физико-механических свойств исследуемых образцов, пористый наполнитель активно участвует в твердофазовом спекании, а также в присутствии жидкой фазы образующихся за счет появления легкоплавких эфтевтик в керамической композиции лёссовидный суглинок – дробленый керамзит. Этот процесс происходит за счет взаимодействия прочных кристаллических фаз, уже присутствующих в структуре дробленого керамзита и образующихся стекло – и кристаллических фаз при совместном спекании с лёссовидным суглинком. В результате образуется спеченная керамика с пористой макро – и микроструктурой. При этом пористая макроструктура образуется за счет дробленого керамзита, который занимает основной объем (до 90 %) и пористая микроструктура, за счет спеченного тонкомолотого лёссовидного суглинка, которая заполняет объем вокруг пористого наполнителя.

Выводы. Таким образом, установлена принципиальная возможность получения теплоизоляционно- конструкционного керамического материала на основе композиции лёссовидный суглинок – дробленый керамзит. Предлагаемая технология позволяет уменьшить материальные ресурсы и строительный объем на 20-25 %, снизить затраты на отопление - 20-30 %, повысить долговечность до 80-100 лет и обеспечить 100 % огнестойкость, создать комфортабельные условия для людей внутри зданий и сооружений зимой и летом. Энергетические затраты на производство предлагаемых композиционных теплоизоляционно-конструкционных керамических материалов в 1,5 раза меньш, чем затраты на производство материалов конкурентов традиционного кирпича.

ЛИТЕРАТУРА

Орлов Д. Л. Пеностекло - эффективный теплоизоляционный материал // Стекло мира. - 1999. - № 4. - С. 66-68.
Монтаев С.А. Таскалиев А.Т., Жарылгапов С. М., Монтаева А. С. Использование опоки Западно-Казахстанского месторождения для модификации составов керамических масс с целью получения эффективной стеновой керамики // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: матер. VI Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. – Пенза: ПГУАС, 2011. – С. 139-143.
Устинов А.В. Прочность опок при производстве керамического кирпича способом пластического формования // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: матер. VI Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. – Пенза: ПГУАС, 2011. – С. 238-242.
Попова В.В. Материалы для теплоизоляционных работ. - М.: Высшая школа, 1988. – 151 с.
Сулейменов С.Т. Физико-химические процессы структурообразования в строительных материалах из минеральных отходов промышленности. – М.: Манускрипт, 1996. – 298 с.
Голенков В.А. Кисляков А.А., Степанов Ю.С. и др. Производство и применение универсального теплоизоляционного материала ТИСМ // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2000 - № 11. - С. 34.
Козубская Т.Г. Использование техногенных отходов в производстве строительных материалов // Строительные материалы. - 2002. - № 2. - С. 10.