Будівельний теплоізоляційний матеріал

1. Строительный теплоизоляционный материал на основе защелоченного и обводненного натурального кремнеземистого сырья, полученный измельчением твердых и перемешиванием всех сырьевых ингредиентов, пропариванием сырьевой смеси и однократным термическим вспучиванием дисперсных заготовок, полученных из пропаренной сырьевой смеси, отличающийся тем, что материал получен с охлаждением пропаренной C2 (54) БУДІВЕЛЬНИЙ ТЕПЛОІЗОЛЯЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ 40628 ных теплоизоляционных материалов, практи чески общедоступ но. К числу та ких сырьевых материалов обычно относятся как природные кремнезёмистые минералы типа диатомитов, трепелов, опок, спонголитов, радиоляритов, так и их техногенные аналоги. Из числа последних наиболее известно так называемое "растворимое стекло". Его получают сплавлением смеси кварцевого песка с содой или сульфа том натрия. Оно поступает на рынок в ви де "силикат-глыбы", если расплав был охлажден в массе, или в виде "силикат-гранулята", если расплав был быстро охлажден в проточной воде и растрескался до образования сравнительно мелких зёрен. Известно и то, что строительные теплоизоляционные материалы, обладающие довольно низкими объёмной массой (менее 1000 кг/куб.м) и теплопроводностью, обычно характеризуются такими признаками способа получе ния, как приготовление вспучивающи хся при термообработке композиций, формование заготовок (преимущественно окускование и, в особенности, окомкование или влажное гранулирование) и вспучивание получен ного полуфабриката под действием высоких (более 800 град.С) температур. Примером строительных материалов та кого типа могут служить пористые заполнители для преимущественно лёгких бетонов, получаемые из кремнистых пород, содержащих (в % по массе) 30-98 диоксида кремния, не более 20 - оксида алюминия, не более 25 оксида кальция и ряд других ингредиентов, путём дробления подходящего природного сырья, обжига (обычно во вращающи хся печах) в интервале температур от 1080 до 1380 град. С и охлаждения продукта [1, c. 49-58]. Такие материалы характеризуются заметной даже при визуальном обследовании трещиноватостью, что обуславливает значительное водопоглощение и, соответственно, низкую морозостойкость, а высокотемператур ный обжиг приводит к экономически неприемлемым удельным энергозатратам на их изготовление. Более предпочтительны строительные теплоизоляционные материалы, которые изготовлены обжигом при меньши х температурах из искусственно защелоченного и обводнённого кремнезёмисто го сырья. Здесь и далее термин "защело ченный" обозначает та кое кремнезёмистое сырьё, в котором изначально присутствует или в которое введен гидроксид щелочного металла, предпочтительно едкий натр, а термин "обводнённый" означает, что вода была использована при подготовке сырьевой смеси по меньшей мере как ингредиент, необходимый для формования заготовок. Примерами строительных теплоизоляционных материалов на основе та кого сырья [1, c.102103] могут служить пористый заполнитель для лёгких бетонов (искусственный "гравий" или "песок") и плитный теплоизоляционный материал ("пеностекло"). Сырьевая смесь (или, что то же самое шихта) для таких материалов содержит (в массовых частях, да ле сокращённо обозначаемых "м.ч.") измельчённую в порошок с размером час тиц до 0,14 мм кремнистую по роду (100), гидроксид щелочного металла, т.е. едкий натр или едкое кали (8-22), и воду (18-38), а процесс производства включает дозирование и смешивание указанных ингредиентов, фор мование заготовок из шихты и их обжиг при температуре 1180-1200 град. С до вспучивания. В итоге в сравнении с описанным выше аналогом достигается незначительное снижение удельных энергозатрат, однако трещиноватость и, следовательно, высокое водопоглощение и низкая морозостойкость остаются практически на прежнем уровне. Эти показатели в рамках известного уровня техники заметно лучше у строительных теплоизоляционных материалов на основе упомянутого выше растворимого стекла, которое защелочено 6-20% гидроксидов щелочных металлов еще при изготовлении. Оно должно быть измельчено в порошок и обводнено в соотношении по массе 9:1. Затем из обводнённого порошка формуют заготовки, пропаривают и х в га зовой среде, содержащей более 50% перегретого водяного пара при температуре 100-200 град.С и избыточном давлении более 0,1 МПа. Далее пропаренные заготовки термообрабатывают (сушат и/или обжигают) до вспучивания при температуре более 100, предпочтительно более 800 град. С (см. патент США № 3,498,802). Присутствие гидросиликатов натрия или калия непосредственно в исходном сырье существенно облегчает формование загото вок и позволяет заметно сократить удельный расход энергии на их тер мообработку. Тем не менее, при использовании указанного сырья получе ние пористых материалов с низкой (менее 1000 кг/куб.м) объёмной массой при температурах ниже 800 град.С затруднено. Соответственно, вспучивание заготовок при столь высоких температурах происходит в основном вследствие полиморфных превращений кремнезёма, что, во-первых, разрыхляет структуру продукта и снижает его механическую прочность и, во-вто рых, из-за растрескивания приповерхностных слоев приводит к уже отмеченным нежелательным эффектам типа повышенного водопоглощения и пониженной морозостойкости. В некоторых случаях прочность продукта оказывается столь низкой, что затрудняется его транспортировка от мест производства к местам потребления. Существенного повышения прочности строительных теплоизоляционных материалов, снижения водопоглощения и удельных энергозатрат на их изготовление удалось достигнуть согласно [2]. Строительный теплоизоляционный материал такого типа на основе защелоченного и обводнённого кремнезёмисто го сырья (содержащий, в частности, на 100 м. ч. активного кремнезёмистого материала от 1 до 30 м. ч. гидроксида щелочного металла и от 30 до 125 м. ч. воды) получен измельчением твёрдых и перемешиванием всех сырьевых ингредиентов, пропариванием сырьевой смеси (в частности, в среде насыщенного во дяного пара при температуре 80-100 град.С в течение 20-60 мин.), и термическим вспучиванием (например, при температуре 150-660 град.С) заготовок, 2 40628 получен ных (обычно - гранулированием) из пропаренной смеси. Этот материал наиболее близок к предлагаемому по технической сущности. Такой материал в сравнении с описанными выше аналогами наименее энергоёмок при изготовлении и при сравнительно нивкой (минимум 50, максимум - 950 кг/куб.м) и довольно легко регулируемой объёмной массе обладает, во-первых, вполне приемлемой пористостью, при которой водопоглощение в худших случаях не превышает 32,5%, и, во-вторых, достаточной механической прочностью. Эти преимущества обусловлены тем, что при пропаривании сырьевой смеси возникает гелеобразная вязкая липкая легкоплавкая фаза. Её основой служат гидросиликаты щелочных металлов. Эта фаза практически непроницаема для газов и водяных паров при низком давлении, которое характерно для указанных температур при пропаривании, и слабо газо- и паропроницаема при вспучивании. Легкоплавкость этой фа зы позволяет снизить температуру вспучивания и, соответственно, удельные энергозатраты на изготовление целевого продукта, а относительная газонепроницаемость этой фазы обеспечивает упомянутые приемлемую пористость и достаточную прочность. Однако качество готового строительного теплоизоляционного материала нестабильно. Так, прочность вспученных гранул при сжатии колеблется в пределах от 0,02 до 12,5 МПа, а водопоглощение - в пределах от 4% до уже указанных 32,5%. Кроме того, опыт производства описанного материала показал, что: при попытках регулирования размеров частиц дисперсного материала брак, обусловленный агрегатированием (слипанием) гранул при формовании и вспучивании, наблюдается тем чаще, чем меньше требуемый средний размер частиц, а при попытках изготовления изделий типа блоков и плит незначительная трещиноватость и практически полное отсутствие незамкнутых пор в приповерхностных слоях заготовок тем заметнее затрудняют удаление из них газообразных ингредиентов при вспучивании, чем крупнее требуемые изделия, а при превышении некоторых (различных для разных сырьевых составов) габаритных размеров приводит к 100% брака. Отмеченные нежелательные эффекты обусловлены сочетанием высокой вязкости и липкости пропаренной сырьевой смеси с её же низкой газопроницаемостью. Попытки ослабить эти нежелательные эффекты дополнительным введением в состав материала от 1 до 150 м.ч. инертного минерального наполнителя, не способного образовывать при указанных условиях пропаривания гидросиликаты ще лочных металлов, не привели к заметному успеху в стабилизации качества целевого продукта. существенно более стабильные механическую прочность и водопоглощение. Поставленная задача решена тем, что строительный теплоизоляционный материал на основе защелоченного и обводненного натурального кремнеземистого сырья, получен ный измельчением твердых и перемешиванием всех сырьевых ингредиентов, пропариванием сырьевой смеси, формованием и однократным термическим вспучиванием дисперсных загото вок, согласно изобретению, получен с о хлаждением липкой пропаренной сырьевой смеси до её перехода в хруп кое состояние и дроблением хруп кой массы для получения дисперсных заготовок, способных восстанавливать пластичность при повторном нагреве, а готовый материал после вспучивания имеет предел прочности при сжатии не менее 0,45 МПа и водопоглощение не более 22,8 % по массе. Здесь и далее термин "пропаривание" сырьевой смеси следует понимать в одном из двух практически эквивалентных значений: либо как обработку защелоченного и, по меньшей мере, частично предва рительно обводненного кремнезёмистого сырья водяным паром, при которой происходят прогрев сырья в массе и образование гидросиликатов; либо как насыщение водяными парами массы защелоченного и предварительно полностью обводнённого кремнеземистого сырья при нагреве от внешнего источника тепла. Достижение указанных в задаче изобретения технических результатов обусловлено неожиданным эффектом, который удалось экспериментально обнаружить, а именно: потерявшие липкость продукты дробления охлаждённой после пропаривания сырьевой массы при повторном нагреве до температуры вспучивания (т.е. вы ше 100, а предпочтительно выше 200°С) восстанавливают липкость на уровне существенно меньше исходного. Поэтому образование нерегулярных по форме и размерам конгломератов частиц возможно только при создании условий, благоприятствующи х слипанию, например, при внешнем сдавливании или вспучивании в массе. Если же вспучивание проводить при перемешива нии, например, при свободном пересыпании или встряхивании полученных при дроблении заготовок, то образование конгломератов практически исключается. Поэтому доступ ным для специалиста в данной области те хники подбором средств и режимов дробления удаётся получать дисперсный целевой продукт в широком диапазоне размеров от "песка" до "щебня" и существенно стабилизировать механическую прочность и водопоглощение частиц. Дополнительно следует отметить, что: во-первых, дробленый полуфабрикат пригоден для длительного (по меньшей мере, до одного месяца) хранения без слипания и потери способности к вспучиванию; во-вто рых, предпочти тельно не фракционированный по грануло метрическому составу дробле ный полуфабрикат может быть использован для из гото вления предло женного материала в ви де плит и блоков, при годных в качестве деталей о граждающи х конструк ций зданий и сооруже ний. В связи с изложенным в основу изобретения положена задача путем изменения процесса изготовления и, при желании, регули рования состава промежуточной шихты создать такой строительный теплоизоляционный материал, который допускал бы регули рование размеров готовых продуктов в ши роком диапазоне и имел бы при этом 3 40628 Первое дополнительное отличие состоит в том, что заготовки для вспучивания получены из раздробленной хруп кой массы фракционированием по грануло метрическому составу. Дисперсный строительный теплоизоляционный материал из таких заготовок не требует повторного фракционирования после вспучивания, что (например, в сравнении с производством керамзита) существенно упрощает получе ние насыпных утеплителей и заполнителей легких бетонов с заранее заданными объёмной массой и теплопроводностью. Второе дополнительное отличие состоит в том, что в раздробленную хруп кую массу перед получе нием заготовок для вспучивания введен дисперсный, предпочти тельно пористый, заполнитель, а готовый материал после вспучивания имеет вид плит или блоков, у которых плотность не превышает 520 кг/м 3, предел прочности при сжатии не менее 1,45 МПа, а водопоглощение не более 22,6 %. При этом в качестве дисперсных заполнителей могут быть использованы (в виде частиц с определенными для конкретных случаев средними размерами): естественные (типа пемзы, туфа, ра кушечника и пр.) и искусственные (типа керамзита, перлитового щебня, вспученного вермикулита, шлаковой пемзы, аглопорита и т.п.) пористые материалы и некоторые плотные материалы, преимущественно представляющие собой отходы различных производств, например: бумагоделательной (скоп), кожевенной (отдубина) и льноперерабатывающей (треста) промышленности. Отмеченное предпочтение обусловлено тем, что при термообработке заготовок вспучивание частиц дроблёного полуфабриката происходит в межзерновом пространстве частиц дисперсного заполнителя без образования сплошных паро- и газонепроницаемых приповерхностных слоев с весьма низкой теплопроводностью. При этом тривиальным для специалиста в данной области техники подбором составов промежуточных ши хт и режимов термообработки удаётся (при заметном снижении удельных энергозатрат) достигнуть консолидации шихты в плиты или блоки со стабильными размерами и формой, которые обычно в такой степени соответствуют заданным, что практически исключается потребность в их механической доработке. Далее сущность изобретения поясняется конкретными примерами составов предложенного строительного теплоизоляционного материала, описанием способов изго товления и результатами испытаний со ссылками на таблицы. Кремнезёмистые материалы, использованные в примерах осуществления изобретательского замысла, и их хи мический состав указаны в таблице 1. Таблица 1 Хи мический состав кремнеземисты х материалов, % по массе Наименование материалов SіО. Опализированный туф Окремнелая oпока Трепел Растворимое стекло Химический состав, % по массе Al.О. Fe.О. CaO MgO Na.О К.О п.п.п Содерж . кварца, мас. % 93,3 2,5 0,5 0,6 0,1 0,7 0,3 2,0 30,5 85,4 83,1 68,6 2,3 5,7 1,5 6,1 4,5 1,3 1,2 1,4 0,7 0,6 0,8 0,5 0,2 0,5 24,2 0,2 0,4 0,4 4,0 3,6 2,8 2,3 10,2 0,7 Примеча ния: а) сокращение "п.п.п." обозначает "потери при прокаливании" и характеризует присутствие в минералах органических примесей или связанной в кристаллогидраты во ды; б) показанное в колонке 10 содержание кварца, то есть кристаллического диоксида кремния, характеризует его долю в общем количестве этого диоксида, которое указано в колонке 2. В качестве ще лочи в экспериментах был использован гидроксид натрия в виде 40% водного раствора. дом щелочного металла и водой (или с водным раствором такого гидроксида); пропаривание получен ной смеси до образования гидросиликатов при атмосферном давлении (при необходимости, с дополнительным перемешива нием) при температуре преимущественно 75-90 град.С, в том числе: - либо насыщенным водяным паром, если кремнеземистое сырьё было обводнено при приготовлении смеси лишь частично, - либо нагревом полностью обводнённой смеси от внешнего источника тепла до её насыщения в массе парами воды; охлаждение пропаренной смеси до примерно комнатной (18-25 град.С) или более низкой температуры в течение времени, достаточного для ее перехода в хр упкое состояние; дробление или измельчение хруп кой массы; Способ изготовления предложенного строительного теплоизоляционного материала в общем случае предусматривает: измельчение кремнезёмистых материалов преимущественно до получе ния частиц со средними размерами в пределах 1,0-2,5 мм; дозирование: - кремнезёмистых материалов, - ги дроксида щело чного м еталла (пре дпо чтите льно е дкого на тр а) и воды (или ра створ а по меньшей мер е 40% ка устиче ской соды); защелачивание и обводнение кремнезёмистого материала его перемешиванием с гидрокси 4 40628 классификация полученного полуфабриката по гранулометрическому составу (при необходимости); приготовление промежуточной шихты смешиванием в требуе мой пропорции дроблёного полуфабриката с пористыми заполнителями требуемой крупности и формование (например, засыпкой смеси в разъемные формы) заготовок для термообработки (если предложенный материал будет изготовлен в виде блоков или плит); термообработка (вспучивание): - либо при температуре преимущественно от 200 до 250 град.С в течение предпочти тельно 25-35 мин. при изготовлении предложенного материала в дисперсном виде, - либо при температуре преимущественно от 250 до 450 град. С в те чение предпочти тельно 2,5-6 часов при изготовлении предложенного материала в ви де блоков или плит. В некоторых случаях (особенно при использовании мелких - ти па "песка" - фракций дроблёного полуфабриката) в промежуточную ши хту может быть введено незначительное количество во ды, достаточное для облегчения заполнения форм и выравнивания поверхности загото вок плит или блоков перед вспучиванием. Для специалиста очевидно, что для тех же целей (облегчения заполнения форм промежуточной шихтой и выравнивания поверхности заготовок) можно применить вибрацию. Описанным способом были изготовлены образцы, в том числе: дисперсные материалы крупностью соответственно до 5, от 5 до 10 и от 10 до 20 мм; материалы в виде плит или блоков в виде модельных кубических образцов с длиной ребра 100, 200 и 400 мм. Для сравнения были изготовлены такие же по форме и размерам образцы строительного теплоизоляционного материала согласно патенту Украины 3802. Конкретные составы использованных в экспериментах сыр ьевых смесей и управляемые технологические параметры приведены в таблицах 2 и 3. Таблица 2 Соста вы сырьевых смесей и уп равляемые технологические параметры для дисперсных строительных теплоизоляционных материалов Контролируемые показатели ДП1 Ингредиенты, % по массе: Опализированный туф Окремнелая опока Трепел Силикат-глыба Кварцевый песок Кварцит Гидроксид щелочн. металла Вода Технологические параметры: Дисперсность частиц, мм Пропаривание: - температура, град. С - время, мин Охлаждение - температура, град. С - время, мин Вспучивание - температура, град. С - время, мин Значения показателей по примерам для материалов: предложенного известного ДП2 ДП3 ДП4 ДИ1 ДИ2 ДИ3 ДИ4 100 100 100 100 100 100 100 100 15 60 20 50 25 40 30 30 1 30 80 150 10 30 100 15 125 100 30 2,5 2,0 1,5 1,0 0,14 0,14 0,14 0,1 90 45 80 40 75 40 75 40 100 60 80 20 90 30 90 30 20 90 20 60 20 40 20 20 200 35 220 30 250 25 250 25 660 10 150 120 300 30 300 30 5 40628 Таблица 3 Соста вы сырьевых смесей и уп равляемые технологические параметры для строительных теплоизоляционных материалов в ви де блоков Контролируемые показатели БП1 Значения показателей по примерам для материалов: предложенного известного БП2 БП3 БП4 БИ1 БИ2 БИ3 БИ4 Ингредиенты, % по массе: Опализированный туф 100 100 Окремнелая опока 100 100 Трепел 100 100 Силикат-глыба 100 100 Кварцевый песок 1 100 Кварцит 50 50 Гидроксид щелочн. металла 15 20 25 30 30 15 25 Вода 60 50 40 30 30 75 125 40 Пористый заполнитель 100 120 130 150 Технологические параметры: Дисперсность частиц, мм 2,5 2,0 1,5 1,0 0,14 0,14 0,14 0,1 Пропаривание: - температура, град. С 90 80 75 75 100 80 90 90 - время, мин 45 40 40 40 60 20 30 30 Охлаждение - температура, град. С 20 20 20 20 - время, мин 90 60 40 20 Вспучивание - температура, град. С 350 250 450 350 660 450 600 300 - время, мин 150 300 250 250 180 420 300 300 Примеча ние: в качестве пористого заполнителя был использован ранее полученный предложенный дисперсный строительный теплоизоляционный материал дисперсностью 5-15 мм с насыпной плотностью около 200 кг/куб. м. На указанных образцах предложенного и известного строительных теплоизоляционных материалов были определены: а) для дисперсных материалов: - насыпная плотность, кг/м 3, - предел прочности при сжатии в цилиндре, МПа, - водопоглощение, % по массе, - количество брака по агрегати рованию, % по массе; б) для блоков и плит: - плотность, кг/м 3, - предел прочности при сжатии, МПа, - водопоглощение, % по массе, - количество брака по кавернам, % по массе. Насыпную плотность и плотность, предел прочности при сжатии и водопоглощение во всех случаях определяли методами, хорошо известными специалистам в данной области те хники. Количество брака при изготовлении дисперсных материалов по показателю агрегатирования частиц определяли как долю частиц, превышающи х заданный средний размер, в общей массе продукта. Количество брака при изготовлении блочных материалов по кавернам определяли как долю образцов с явно выраженными пустотами от общего количества изготовленных образцов, которое в каждой партии составляло 100 штук. Результа ты испытаний сведены в таблицы 4 и 5 соответственно для дисперсных и блочных материалов. При этом единицы измерения в таблицах не приведены, поскольку соответствуют вы ше указанным. 6 40628 Показатели качества дисперсных строительных теплоизоляционных материалов Контролируемые показатели ДП1 Насыпная плотность кг/м 3 Предел прочности при сжатии, МПа Водопоглощение Количество брака по фракциям, % по массе: до 5 мм 5-10 мм 10-20 мм Значения показателей по примерам для материалов: предложенного известного ДП2 ДП3 ДП4 ДИ1 ДИ2 ДИ3 240 0,83 7,6 200 0,57 11,1 130 0,45 22,8 50 0,02 32,5 950 12,5 15,5 205 0,27 26,9 245 0,51 9,7 0 2 0 3 2 2 2 4 3 6 5 5 100 60 25 93 46 23 100 52 33 100 49 27 Контролируемые показатели БП1 200 мм 400 мм ДИ4 320 1,1 5,4 Таблица 5 Показатели качества блочных строительных теплоизоляционных материалов Плотность, кг/м 3 Предел прочности при сжатии, МПа Водопоглощение, % Количество брака при длине ребра: % 100 мм Таблица 4 Значения показателей по примерам для материалов: предложенного известного БП2 БП3 БП4 БИ1 БИ2 БИ3 БИ4 520 2,1 15,2 490 2,0 17,5 440 1,57 21,1 430 1,45 22,6 580 1,02 35,2 1050 4,5 18,4 640 1,2 32,1 1110 7,51 15,1 0 0 0 0 0 2 0 0 4 3 5 4 0 62 100 0 49 100 10 55 100 0 50 100 Данные, приведенные в таблице 4, показывают, что: насыпная плотность предложенных дисперсных строительных теплоизоляционных материалов не только заметно стабильнее, чем у аналогичных известных материалов, но и может регулироваться изменением соотношений концентраций ингредиентов в сыр ьевых смесях; аналогично, у предложенных материалов более стабильны и также поддаются регули рованию предел прочности при сжатии и водопоглощение, причём эти показатели у предложенных материалов при значениях насыпной плотности, близких к таким значениям у известных материалов, предпочтительны; и, наконец, количество брака по агрегатированию у предложенных материалов не только более, чем в 10-20-30 раз меньше, чем у известных, но и практически не зависит от дисперсности. Дополнительно следует отметить, что диапазоны регули рования значений указанных показателей качества предложенных материалов, который, разумеется, не исчерпывается приведенными данными, соответствует предпочтениям потребителей. Данные, приведенные в таблице 5, показывают, что: плотность предложенных блочных строительных теп лоизоляционных материалов (как и дисперсных) также заметно стабильнее, чем у аналогичных известных материалов, и также может регули роваться изменением соотношений концентраций ингредиентов в сырьевых смесях; аналогично, у блочных (как и у дисперсных) предложенных материалов более стабильны и поддаются регули рованию предел прочности при сжатии и водопоглощение (эти показатели у предложенных материалов при значениях плотности, близких к таким значениям у известных материалов, предпочтительны); и, наконец, количество брака по кавернам у предложенных материалов не только весьма низко, но и не зависит от размеров блоков (или плит), тогда как количество брака у известных материалов при длине ребра более 100 мм становится практически неприемлемым. Дополнительно следуе т отметить, что верхний предел плотности предложенных блочных материалов - при использовании в качестве пористого заполнителя предложенных же дисперсных материалов - оказывается ниже нижнего предела плотности известных материалов того же класса при сохранении водопоглощения и прочности на известном уровне. 7 40628 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 8