СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD TO PRODUCE CONSTRUCTION MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к области строительной индустрии, а получаемый строительный материал может эффективно использоваться во всем тепловом контуре зданий и сооружений, а также для тепловой изоляции производственного оборудования, холодильных установок и трубопроводов, для выполнения несущих и самонесущих ограждений и перемычек при возведении малоэтажных жилых, административных и промышленных зданий и сооружений.
Заявителю известны аналоги: А.С. №292909, C03C 11/00, опубл. 1971 г. - бюл. №5; А.С. №1073199, C03C 11/00, опубл. 1984 г. - бюл. №6; А.С. №1708784, МПК C03C 11/00, опубл. 1992 г.; Ованесова Н.Э., Элиазян Л.А., Дарбинян М.В. Получение теплоизоляционных материалов типа пеностекла из перлитов Армении и отходов «хвостов» Каджаранского медно-молибденового комбината // Сборник материалов Всесоюз. совещ. «Использование недефицитных материалов в стекольном производстве»: М.: - 1971. - С.241-248); патент №2167112, МПК C03C 11/00, опубл. 2001 г.; патент №2164898, МПК C03C 11/00, опубл. 2001 г.; патент №2051869, МПК C03C 11/00, опубл. 1996 г.; патент №2272007, МПК C03c 11/00, опубл. 2006 г.; Иваненко В.Н. Строительные материалы и изделия из кремнистых пород / Киев: Будивельник, 1978 г. - 120 с.
уд
2
Известен также способ получения пеностекла, в котором использованы перлитовые породы гидратированной, стекловидной и закристаллизованной разновидностей и бой тарного стекла. Перлитовую породу и бой тарного стекла подвергают раздельному помолу в шаровой мельнице до порошкообразного состояния с S=300-350 м/кг. После механоактивации стеклошихты с целью снижения температуры вспенивания пеностекла к готовому порошку добавляют гидроксид натрия в виде водного раствора, обеспечивающего влажность шихты 16-19%. Смесь перемешивают и прессуют в виде образцов размером 2×2×2 см. Вспенивание при обжиге производят при температуре 815-830°С. Для увеличения прочности пеностекла его подвергают повторной термической обработке - объемной кристаллизации в интервале температур 600-625°С в течение 15-25 минут с последующим его охлаждением вместе с печью (см. патент RU №2291845, МПК C03C 11/00, опубл. 20.01.2007 г.).
Недостатком известного способа является использование стеклобоя в составах, что усложняет технологию пеностекла за счет введения дополнительной линии по подготовке стеклобоя.
Известна композиция для изготовления теплоизоляционного материала, в которой использованы трепел, диатомит или опока в качестве кремнеземсодержащего компонента, оксид, сульфат или хлорид цинка в качестве цинкосодержащей добавки, гидроксид натрия и водопроводная вода. Способ получения материала заключается в смешивании компонентов до получения гомогенной силикатной массы. Полученной силикатной массой заполняют форму, нагревают ее до температуры 350-400°С, при которой наблюдается вспучивание массы, с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из форм готового материала.
3
2
Получаемый материал имеет плотность 134-302 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,074-0,098 Вт/(м·°С) и прочность при сжатии от 2 до 10 кгс/см (0,2-1 МПа) (см. патент РФ №2053984, C04B 38/02, 1996 г.).
Недостатком аналога является то, что результаты достигнуты при высоком значении отношения щелочного компонента к кремнеземсодержащему компоненту в исходной смеси (0,4-0,5), а вспучиванию подвергают силикатную массу высокой влажности, что в целом способствует удорожанию пеностекла и невысокому качеству из-за неоднородной пористости.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ получения строительного материала, предусматривающий смешивание кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды при указанном их соотношении. Отношение содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента находится в пределах от 0,08 до 0,40, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды в пределах от 0,8 до 5,3. Массу перед заполнением формы подвергают сушке до остаточной влажности менее 5 мас.%, измельчению до размеров частиц не более 100 мкм, обеспечивающему размер пор менее 3 мм, а после заполнения формы - нагреву до 600°С с частичной дегидратацией в диапазонах температур до 165°С, от 165 до 220°С, от 230 до 350°С, от 450 до 600°С в любой их последовательности. После этого шихту подвергают нагреву до температуры вспучивания 650-900°С, остыванию по режиму: до 580°С со скоростью не выше 2°С/мин, до 250°С не выше 8°С/мин, до 20°С не выше 1,5°С/мин. Вспучивание осуществляют за счет окончательного удаления химически связанной воды в диапазоне температур 650-900°С (см. RU №2300506, МПК C03C 11/00, опубл. 08.05.2007 г.).
Недостатками способа получения строительного материала являются:
- значительный разброс значений показателей свойств строительного материала вследствие трудности достижения требуемого уровня вязкости вспучиваемой при температурах 650-700°С силикатной массы при использовании широкого спектра пород с различным химическим составом;
- высокие энергозатраты из-за громадной суммарной продолжительности многоступенчатой термической обработки в течение 40-52 часов перед вспучиванием в диапазоне температур от 145 до 560°С, вызванной отсутствием предварительной термической подготовки исходных кремнистых пород;
- многоступенчатая и продолжительная термообработка перед обжигом при организации производства потребует размещения обширных площадей под термические установки;
- отсутствие в аналоге сведений о показателе водопоглощения, который характеризует поровую структуру строительного материала и обусловливает его важнейшие свойства, как теплопроводность и морозостойкость.
Задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в моделировании состава шихты для получения строительного материала на основе кремнеземсодержащих цеолитовой породы и вулканических стекол Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия.
Технический результат изобретения заключается в повышении физико-механических и эксплуатационных свойств строительного материала за счет повышения однородности фазового состава и улучшения структуры материала благодаря оптимизации условий подготовки исходных кремнеземсодержащих пород;
повышении эффективности использования кремнеземсодержащих пород за счет комплексного использования цеолитовых пород и вулканических стекол (гидратированных, стекловидных и закристаллизованных перлитов) Мухор-Талинского месторождения;
снижении расхода щелочного компонента за счет использования в составах шихты плавня в виде вулканических стекол (перлитов);
снижении энергозатрат и трудоемкости производства за счет сокращения числа ступеней термической обработки перед вспучиванием благодаря использованию сушки исходных кремнеземсодержащих пород.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что в способе получения строительного материала, предусматривающем смешивание кремнеземсодержащего и щелочного компонентов и воды при указанном их соотношении, сушку, измельчение смеси, заполнение измельченной массой формы и охлаждение, согласно изобретению в качестве кремнеземсодержащего компонента используют смесь цеолитовой породы и вулканического стекла, компоненты которой перед смешиванием со щелочным компонентом и водой подвергают раздельному помолу в вибрационной мельнице до размеров частиц не более 100 мкм, после чего проводят сушку цеолитовой породы при температуре 200-300°С в течение 0,25 часа, затем сушку вулканического стекла при температуре 315-335°С в течение 0,15 часа, а после сушки и измельчения силикатной массы производят нагрев с выдержкой при температурах 40-60°С и 240-260°С, а затем нагрев до температуры 600-650°С со скоростью не более 7-8°С/мин, после чего нагревают со скоростью не более 5-6°С/мин до температуры вспучивания, находящейся в интервале от 765 до 835°С, при этом охлаждение вспученной силикатной массы осуществляют путем резкого понижения температуры вспучивания на 100-150°С, после чего производят отжиг до температуры 60°С со скоростью не более 0,5-0,6°С/мин.
Кроме того, технический результат достигается также и тем, что в качестве вулканического стекла используют гидратированный перлит с содержанием кристаллической фазы 5% и гигроскопической воды 0,6-3,2% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цеолитовая порода
35-65
Перлит гидратированнный
18-50
Гидроксид натрия
остальное,
при этом отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита гидратированного находится в пределах 0,177-0,205, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и гидроксида натрия к содержанию воды составляет 2,94-3,33, после чего полученную смесь подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 50-60°С и в течение 3 часов при температуре 250-260°С, а после сушки тонкоизмельченную шихту помещают в форму и подвергают нагреву до температуры 650°С и выдерживают при этой температуре в течение 1 часа, а затем нагревают до температуры обжига, которая находится в интервале 765-805°С, и вспучивают при этой температуре в течение 1 часа, после чего вспученную при обжиге силикатную массу подвергают стабилизации путем резкого понижения максимальной температуры обжига на 100-150°С до температуры стабилизации.
Кроме того, технический результат достигается также и тем, что в качестве вулканического стекла используют стекловидный перлит с содержанием кристаллической фазы 2-5% и гигроскопической воды 0,3-1,0% при следующем содержании компонентов, мас.%:
Цеолитовая порода
22,5-61,5
Перлит стекловидный
21,5-62,5
Гидроксид натрия
остальное,
при этом отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита стекловидного находится в пределах 0,177-0,205, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и гидроксида натрия к содержанию воды составляет 2,94-3,33, после чего полученную смесь подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 45-55°С и в течение 3 часов при температуре 245-255°С, а после сушки тонкоизмельченную шихту помещают в форму и подвергают нагреву до температуры 600°С и выдерживают при этой температуре в течение 1 часа, а затем нагревают до температуры обжига, которая находится в интервале 775-825°С, и вспучивают при этой температуре в течение 1 часа, после чего вспученную при обжиге силикатную массу подвергают стабилизации путем резкого понижения максимальной температуры обжига на 100-150°С до температуры стабилизации.
Кроме того, технический результат достигается также и тем, что в качестве вулканического стекла используют закристаллизованный перлит с содержанием 20-40% стекловидной фазы, 60-80% криптокристаллических агрегатов и гигроскопической воды 0,3-1,3% при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цеолитовая порода
19-53
Перлит закристаллизованный
28-64
Гидроксид натрия
остальное,
при этом отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита закристаллизованного находится в пределах 0,205-0,235, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и гидроксида натрия к содержанию воды составляет 2,63-2,94, после чего полученную смесь подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 40-50°С и в течение 3 часов при температуре 240-250°С, а после сушки тонкоизмельченную шихту помещают в форму и подвергают нагреву до температуры 625°С и выдерживают при этой температуре в течение 1 часа, а затем нагревают до температуры обжига, которая находится в интервале 785-835°С, и вспучивают при этой температуре в течение 1 часа, после чего вспученную при обжиге силикатную массу подвергают стабилизации путем резкого понижения максимальной температуры обжига на 100-150°С до температуры стабилизации.
В предлагаемом изобретении так же, как и в прототипе (см. патент RU №2300506, МПК C03C 11/00, опубл. 08.05.2007 г.), применяются кремнеземсодержащий компонент, щелочь и вода при установленном их соотношении, но в отличие от прототипа в качестве кремнеземсодержащего компонента используют смесь цеолитовой породы и вулканического стекла, что способствует снижению расхода дорогостоящего щелочного компонента. Так, благодаря введению в смесь разновидностей вулканического стекла (гидратированного, стекловидного и закристаллизованного перлитов), содержащих до 12 мас.% оксидов щелочных металлов, максимальное отношение содержания щелочного компонента в виде гидроксида натрия к содержанию кремнеземсодержащего компонента в предлагаемом изобретении составило 0,235 (в прототипе 0,4).
Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что в предлагаемом способе вспученная силикатная масса с целью фиксации объема подвергается стабилизации, которая заключается в резком снижении максимальной температуры обжига строительного материала на 100-150°С. Без применения указанного процесса вспененная силикатная масса, как правило, продолжает по инерции возрастать в объеме, а ячейки в стекломассе в это время коалесцируют и увеличиваются в объеме. В результате этого формируется материал с неравномерно распределенными и сообщающимися порами, что весьма нежелательно для теплоизоляционного материала.
Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что в нем предлагается новый подход к использованию структурно-морфологических особенностей цеолитовых пород и вулканических стекол (перлитов), обладающих уникальной способностью адсорбировать вещества, благодаря наличию в них каналов, окон на молекулярном уровне. Используемые в прототипе кремнеземсодержащие породы не обладают этой уникальной ионообменной, сорбционной и каталитической способностью, присущей цеолитовым породам и вулканическим стеклам (перлитам), и в силу этого не способны хорошо впитывать в себя щелочной компонент, тем более что из структуры кремнеземсодержащих пород не удалена физически связанная (гигроскопическая и гидратная) вода, поскольку предварительная термическая подготовка исходных пород в прототипе не предусмотрена.
Именно это обстоятельство служит предпосылкой к тому, что в структуре силикатной массы при температуре обжига в заявляемом изобретении создается больший объем газовой фазы за счет связанной воды в цеолитовой породе и в вулканическом стекле, а также за счет OH-групп, вносимых с гидрооксидом натрия. Поэтому вспученный материал, получаемый в заявляемом изобретении, обладает комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств, показатели которых превосходят аналогичные показатели по прототипу.
Из проведенного заявителем анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, заявитель не обнаружил аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного способа для получения строительного материала. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения по отношению к усматриваемому техническому результату: повышению физико-механических и эксплуатационных свойств строительного материала, повышению эффективности использования кремнеземсодержащих пород, снижению расхода щелочного компонента, снижению энергозатрат и трудоемкости производства.
В заявленных композициях предлагаемого способа получения строительного материала использованы цеолитсодержащая порода и вулканические стекла (перлиты) Мухор-Талинского месторождения Республики Бурятия, химический состав которых приведен в таблицах 1 и 2.
4
4
4-
5-
Под цеолитовой породой подразумеваются витрокластические и агломератовые туфы с содержанием цеолитов от 40% (в среднем) до 60-65% (максимум). Цеолиты (от греч. zeo - киплю и lithos - камень) - это алюмосиликаты, способные вспучиваться при нагревании. Их кристаллическая структура образована тетраэдрами [SiO] и [AlO], объединенными общими вершинами в трехмерный каркас, пронизанный полостями и каналами. В последних находятся молекулы воды и катионы металлов (I и II групп периодической системы Менделеева), а также аммония, тетраалкиламмония и др.
6
20
72
2
2
5
40
96
2
0,7
4
3
20
4
2
2
8
Основными минеральными формами цеолитов являются морденит и клиноптилолит. По данным испытаний, проведенных в Аналитическом сертификационном испытательном центре (г.Москва), цеолитовая порода Мухор-Талинского месторождения содержит клиноптилолит (Na,K,Ca,Mg)·Ca[AlSiO]·20HO (55±3) %; морденит Ca(Na,K)·Ca[AlSiO]·28HO (15±1,5) %; монтмориллонит (l/2Ca,Na)·(Al,Mg,Fe)(Si,Al)O(OH)]·28HO (12±1) %; калиевый полевой шпат KALSiO (3±0,5)%; рентгеноаморфную фазу - остальное.
Перлит - это кислое водосодержащее вулканическое стекло, все типы которого содержат воду и кристаллические включения (см. Горная энциклопедия, том 4, М.: Советская энциклопедия. - 1991. - с.73). Согласно классификации отечественного перлитового сырья, предложенной Н.И.Сергеевым, В.В.Наседкиным и др., перлиты Мухор-Талинского месторождения по содержанию воды и кристаллических включений отнесены к различным разновидностям. Основной мотивацией к использованию вулканических стекол в составах шихты для получения заявленного строительного материала являются их фазовый и химический составы, а именно повышенное содержание в них стеклофазы, оксидов щелочных металлов и наличие в полостях и каналах перлитов различных типов воды.
В заявленном изобретении для получения строительного материала использованы перлиты Мухор-Талинского месторождения, химический состав которых представлен в таблице 2.
3
3
3
К гидратированным перлитам в заявленном изобретении отнесены сильногидратированные массивные перлиты с количеством стекловидной фазы не менее 95% с объемной массой 1,9-2,1 г/см, содержанием гигроскопической воды 0,6-3,2% и п.п.п. 6,5-11%. К стекловидным перлитам в заявленном изобретении отнесены неизмененные массивные перлиты без микролитов и кристаллитов с количеством стекловидной фазы не менее 90-95%, с объемной массой 2,2-2,3 г/см, содержанием гигроскопической воды 0,3-1,0% и п.п.п. 5,5-6,5%. К закристаллизованным перлитам в заявленном изобретении отнесены массивные перлиты с кристаллитами и микролитами с содержанием 20-40% стекловидной фазы и 60-80% криптокристаллических агрегатов, с объемной массой 2,1-2,4 г/см и содержанием гигроскопической воды 0,3-1,3% и п.п.п. 4,3-6,6%.
В предлагаемом изобретении целесообразность вышеуказанного подразделения основана на том, что отличие их по содержанию воды может оказать влияние на режимы термической подготовки пород и термической обработки шихты, а отличие их по содержанию кристаллических включений - на продолжительность помола и режимы обжига силикатной массы. Расширение знаний в этой области позволяет наметить пути рационального использования отличных друг от друга разновидностей перлитового сырья в производстве эффективного строительного теплоизоляционного материала. Известно, что при добыче кондиционных стекловидных перлитов гидратированные перлиты в силу высокого водосодержания, а закристаллизованные в силу слабой вспучиваемости часто не попадают в сферу материального производства и тем самым снижается эффективность их использования.
Рентгеновский спектр закристаллизованного перлита подтверждает наличие структурных мотивов, близких к минералам тридимиткристобалитового ряда и полевых шпатов - санидина и альбита (см. Глуховский В.Д., Цыремпилов А.Д., Рунова Р.Ф., Меркин А.П. и др. Щелочные бетоны на основе эффузивных пород. - Иркутск: Изд-во Иркут. Ун-та, 1990. - 176 с.).
По данным рентгенофазового анализа, проведенного в Аналитическом сертификационном испытательном центре АСИЦ ВИМС (г.Москва), в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, а также в лаборатории Байкальского института природопользования Сибирского отделения РАН, цеолитовая порода Мухор-Талинского месторождения обладает неоднородностью слагающих ее минералов. В зависимости от месторасположения отбора проб в одних пробах преобладает цеолитовый минерал морденит, а в других - клиноптилолит. В предлагаемом изобретении проблема оптимизации фазового состава шихты для получения вспученного строительного материала с требуемыми структурой и свойствами решена путем введения в шихту дополнительно второго компонента, а именно вулканического стекла (перлитов). Подшихтовка цеолитовых пород перлитом в присутствии щелочного компонента позволила в предлагаемом изобретении получить расплав при энергетически выгодных температурных режимах и пониженном содержании дорогостоящего щелочного компонента. В результате при обжиге происходит высокотемпературное усреднение фазового состава поризуемой стекломассы, в котором растворяются цеолитовые минералы не в зависимости от того, какой минерал (морденит или клиноптилолит) находится в цеолитсодержащей породе. Вероятно, при этом также возрастает растворимость и минералов-балластов (полевого шпата, монтмориллонита, кварца), присутствующих в цеолитовой породе (ок. 20%).
Благодаря формированию равномерно распределенной и мелкой пористости за счет высокотемпературного усреднения фазового состава поризуемой стекломассы в результате оптимизации условий подготовки шихты из цеолитовой породы, вулканического стекла (перлита) и щелочного компонента (гидроксида натрия) по предлагаемому способу стало возможным создание вспученного строительного материала с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Для выбора оптимального состава шихты были приготовлены составы (см. таблицы 3, 4, 5), отличающиеся друг от друга соотношением цеолитовой породы и вулканического стекла (в % по массе): 20; 35; 50; 65; 80 цеолитовой породы и 66; 50; 34; 18; 2 перлита гидратированного (композиция 1); 3; 22,5; 42; 61,5; 81 цеолитовой породы и 83; 62,5; 42; 21,5; 1 перлита стекловидного (композиция 2); 2; 19; 36; 53; 70 цеолитовой породы и 82; 64; 46; 28; 10 перлита закристаллизованного (композиция 3). Содержание гидроксида натрия в композициях 1 и 2 находится в пределах 14-18%, а в композиции 3 - в пределах 16-20%. Принятые нами композиции 1, 2 и 3 отличаются тем, что в качестве вулканического стекла они содержат перлиты трех разновидностей с различной способностью к вспучиванию. Соотношения в шихте цеолитовой породы и вулканического стекла по каждой композиции приняты с учетом отличий в морфологии перлитовых разновидностей.
Предлагаемый способ получения строительного материала на основе цеолитовой породы и гидратированного перлита (композиция 1) осуществляют следующим образом. Из отдозированных порций порошков цеолитовой породы и перлита составляют смесь, которую тщательно перемешивают. К готовой силикатной массе добавляют 14-18% NaOH в виде водного раствора, обеспечивающего отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита гидратированного в пределах 0,163-0,22, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и гидроксида натрия к содержанию воды находится в пределах 2,78-3,57. Полученную смесь перемешивают с помощью смесителя до гомогенного состояния, а затем смесь на поддоне помещают в сушильную камеру и подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 50-60°С и в течение 3 часов при температуре 250-260°С до получения силикатной массы с остаточной влажностью 1 мас.%. Сухую силикатную массу с помощью дробилки дробят до фракции 2-3 мм, а затем измельчают в вибрационной мельнице до основной фракции не более 50-60 мкм. Измельченную порошкообразную силикатную массу насыпают в металлическую форму, помещают в муфельную печь и подвергают нагреву до температуры 650°С, при которой выдерживают в течение 1 часа. Указанный интервал температур соответствует эндотермическим эффектам на термограммах цеолитовых и перлитовых пород, которые указывают на удаление из структуры пород прочно связанной воды. Вспучивание силикатной массы проводят в температурном интервале от 745 до 825°С.
Предлагаемый способ получения строительного материала на основе цеолитовой породы и стекловидного перлита (композиция 2) осуществляют следующим образом. Из отдозированных порций порошков цеолитовой породы и перлита составляют смесь, которую тщательно перемешивают. К готовой силикатной массе добавляют 14-18% NaOH в виде водного раствора, обеспечивающего отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита стекловидного в пределах 0,163-0,22, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и гидроксида натрия к содержанию воды находится в пределах 2,78-3,57. Полученную смесь перемешивают с помощью смесителя до гомогенного состояния, а затем смесь на поддоне помещают в сушильную камеру и подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 45-55°С и в течение 3 часов при температуре 245-255°С до получения силикатной массы с остаточной влажностью 1 мас.%. Сухую силикатную массу с помощью дробилки дробят до фракции 2-3 мм, а затем измельчают в вибрационной мельнице до основной фракции не более 50-60 мкм. Измельченную порошкообразную силикатную массу насыпают в металлическую форму, помещают в муфельную печь и нагревают до температуры 625°С, при которой выдерживают в течение 1 часа. Указанный интервал температур соответствует эндотермическим эффектам на термограммах цеолитовых и перлитовых пород, которые указывают на удаление из структуры пород прочно связанной воды. Вспучивание силикатной массы проводят в температурном интервале от 750 до 850°С.
Предлагаемый способ получения строительного материала на основе цеолитовой породы и закристаллизованного перлита (композиция 3) осуществляют следующим образом. Из отдозированных порций порошков цеолитовой породы и перлита составляют смесь, которую тщательно перемешивают. К готовой силикатной массе добавляют 16-20% NaOH в виде водного раствора, обеспечивающего отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита закристаллизованного в пределах 0,19-0,25, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и гидроксида натрия к содержанию воды находится в пределах 2,5-3,125. Полученную смесь перемешивают с помощью смесителя до гомогенного состояния, а затем смесь на поддоне помещают в сушильную камеру и подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 40-50°С и в течение 3 часов при температуре 240-250°С до получения силикатной массы с остаточной влажностью 1 мас.%. Сухую силикатную массу с помощью дробилки дробят до фракции 2-3 мм, а затем измельчают в вибрационной мельнице до основной фракции не более 50-60 мкм. Измельченную порошкообразную силикатную массу насыпают в металлическую форму, помещают в муфельную печь и нагревают до температуры 600°С, при которой выдерживают в течение 1 часа. Указанный интервал температур соответствует эндотермическим эффектам на термограммах цеолитовых и перлитовых пород, которые указывают на удаление из структуры пород прочно связанной воды. Вспучивание силикатной массы проводят в температурном интервале от 760 до 860°С.
В композициях 1, 2 и 3 предлагаемого изобретения вспученный материал с целью снятия внутренних напряжений подвергают отжигу, для чего его остужают вместе с печью до комнатной температуры.
В заявленном изобретении во всех трех композициях 1, 2 и 3 для сокращения энергозатрат и упрощения технологии получения строительного материала путем сокращения числа ступеней от шести (по прототипу) до трех (в предлагаемом изобретении) термообработки шихты перед обжигом, а также улучшения поровой структуры и свойств материала предложена оптимизация условий подготовки исходных пород. Это осуществляется следующим образом. Дробленые куски цеолитовой породы и перлита подвергают раздельному помолу в вибрационной мельнице, а затем термической подготовке путем раздельной сушки в сушильной камере. Такая предварительная подготовка исходных пород способствует удалению из структуры пород гигроскопической влаги и слабосвязанной гидратной воды.
В предлагаемом изобретении также для стабилизации пены и фиксации объема вспученной силикатной массы производят быстрое снижение максимальной температуры обжига на 100-150°С.
Примеры, подтверждающие получение строительного материала на основе цеолитовой породы и гидратированного перлита (композиция 1)
Пример 1
Цеолитовая порода
65
Перлит гидратированный
18
Гидроксид натрия
17
Из отдозированных порций порошков цеолитовой породы и гидратированного перлита составляют смесь, которую тщательно перемешивают. К готовой смеси добавляют 17% NaOH в виде водного раствора, обеспечивающего отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и гидратированного перлита, равное 0,205, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды - 2,94.
Полученную смесь перемешивают с помощью смесителя до гомогенного состояния, а затем гомогенную смесь на поддоне помещают в сушильную камеру, в которой удаляют физическую воду и получают силикатную массу с остаточной влажностью 1 мас.%. Сухую силикатную массу с помощью дробилки дробят до фракции 2-3 мм, а затем с помощью вибрационной мельницы измельчают до основной фракции не более 50-60 мкм. Измельченную порошкообразную силикатную массу насыпают в металлическую форму и помещают в муфельную печь. Силикатную массу подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 50-60°С и в течение 3 часов при температуре 250-260°С до получения силикатной массы с остаточной влажностью 1 мас.%, а затем нагревают со скоростью 7-8°С/мин до температуры 650°С, при которой выдерживают в течение 1 часа. После нагрева температуру в печи повышают со скоростью 5-6°С/мин до 765°С, при которой проводят вспучивание силикатной массы в течение 1 часа. С целью снятия внутренних напряжений подвергают отжигу, для чего его остужают вместе с печью до комнатной температуры.
Для сокращения энергозатрат и упрощения технологии строительного материала путем сокращения числа ступеней термообработки шихты перед обжигом, а также улучшения поровой структуры и свойств строительного материала в заявляемом изобретении дробленые куски цеолитовой породы фракции 3-5 мм и гидратированного перлита фракции 0,5-5 мм подвергают раздельному помолу в вибрационной мельнице: цеолитовой породы в течение 7-9 минут, а гидратированного перлита в течение 3-4 минут до размеров частиц не более 100 мкм, а затем термической подготовке путем сушки в сушильной камере: цеолитовой породы при температуре 200-300°С в течение 0,25 часа, гидратированного перлита - при температуре 320°С  в течение 0,15 часа.
Для стабилизации пены и фиксации объема вспученной силикатной массы при максимальной температуре обжига перед отжигом производят резкое снижение температуры обжига строительного материала на 100-150°С.
3
Средняя плотность полученного строительного материала составляет 285 кг/м, его прочность при сжатии - 2,4 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 2,5 мм.
Пример 2
Проводят аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов:
Цеолитовая порода
50
Перлит гидратированный
34
Гидроксид натрия
16
Добавка в силикатную массу 16% NaOH в виде водного раствора обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и гидратированного перлита, равное 0,191, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды 3,125. Вспучивание строительного материала производят при температуре 785°С.
3
Средняя плотность строительного материала составляет 405 кг/м, его прочность при сжатии - 5,0 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 2,0 мм.
Пример 3
Проводят аналогично примеру 1 при следующем соотношении компонентов:
Цеолитовая порода
35
Перлит гидратированный
50
Гидроксид натрия
15
Добавка в силикатную массу 15% NaOH в виде водного раствора обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и гидратированного перлита, равное 0,177, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды 3,33. Вспучивание строительного материала производят при температуре 805°С.
3
Средняя плотность строительного материала составляет 515 кг/м, его прочность при сжатии - 12,0 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 1,5 мм.
Примеры, подтверждающие получение строительного материала на основе цеолитовой породы и стекловидного перлита (композиция 2)
Пример 4
Проводят при следующем соотношении компонентов:
Цеолитовая порода
61,5
Перлит стекловидный
21,5
Гидроксид натрия
17
Из отдозированных порций порошков цеолитовой породы и стекловидного перлита составляют смесь, которую тщательно перемешивают. К готовой силикатной массе добавляют 17% NaOH в виде водного раствора, обеспечивающего отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и стекловидного перлита, равное 0,205, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды 2,94.
Полученную смесь перемешивают с помощью смесителя до гомогенного состояния, а затем гомогенную смесь на поддоне помещают в сушильную камеру, в которой удаляют физическую воду и получают силикатную массу с остаточной влажностью 1 мас.%. Сухую силикатную массу с помощью дробилки дробят до фракции 2-3 мм, а затем с помощью вибрационной мельницы измельчают до основной фракции не более 50-60 мкм. Измельченную порошкообразную силикатную массу насыпают в металлическую форму и помещают в муфельную печь. Силикатную массу подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 45-55°С и в течение 3 часов при температуре 245-255°С до получения силикатной массы с остаточной влажностью 1 мас.%, а затем нагревают со скоростью 7-8°С/мин до температуры 600°С, при которой выдерживают в течение 1 часа. После нагрева температуру в печи повышают со скоростью 5-6°С/мин до 775°С, при которой проводят вспучивание силикатной массы в течение 1 часа. С целью снятия внутренних напряжений подвергают отжигу, для чего ее остужают вместе с печью до комнатной температуры.
Для сокращения энергозатрат и упрощения технологии получения строительного материала путем сокращения числа ступеней термообработки шихты перед обжигом, а также улучшения поровой структуры и свойств строительного материала в заявляемом изобретении дробленые куски цеолитовой породы фракции 3-5 мм и стекловидного перлита фракции 0,5-5 мм подвергают раздельному помолу в вибрационной мельнице: цеолитовой породы в течение 7-9 минут, а стекловидного перлита в течение 4-6 минут до размеров частиц не более 100 мкм, а затем термической подготовке путем сушки в сушильной камере: цеолитовой породы при температуре 200-300°С в течение 0,25 часа, стекловидного перлита - при температуре 315°С в течение 0,15 часа.
Для стабилизации пены и фиксации объема вспученной силикатной массы при максимальной температуре обжига перед отжигом производят резкое снижение температуры обжига строительного материала на 100-150°С.
3
Средняя плотность полученного строительного материала составляет 300 кг/м, его прочность при сжатии - 3,2 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 2,0 мм.
Пример 5
Проводят аналогично примеру 4 при следующем соотношении компонентов:
Цеолитовая порода
42
Перлит стекловидный
42
Гидроксид натрия
16
Добавка в силикатную массу 16% NaOH в виде водного раствора обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и стекловидного перлита, равное 0,19, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды 3,13. Вспучивание строительного материала производят при температуре 800°С.
3
Средняя плотность строительного материала составляет 420 кг/м, его прочность при сжатии - 5,3 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 1,5 мм.
Пример 6
Проводят аналогично примеру 4 при следующем соотношении компонентов:
Цеолитовая порода
22,5
Перлит стекловидный
62,5
Гидроксид натрия
15,0
Добавка в силикатную массу 15% NaOH в виде водного раствора обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и стекловидного перлита, равное 0,19, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды 3,33. Вспучивание строительного материала производят при температуре 825°С.
3
Средняя плотность строительного материала составляет 545 кг/м, его прочность при сжатии - 13 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 1 мм.
Примеры, подтверждающие получение строительного материала на основе цеолитовой породы и закристаллизованного перлита (композиция 3)
Пример 7
Проводят при следующем соотношении компонентов:
Цеолитовая порода
53
Перлит закристаллизованный
28
Гидроксид натрия
19
Из отдозированных порций порошков цеолитовой породы и закристаллизованного перлита составляют смесь, которую тщательно перемешивают. К готовой силикатной массе добавляют 19% NaOH в виде водного раствора, обеспечивающего отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и закристаллизованного перлита, равное 0,235, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды 2,63.
Полученную смесь перемешивают с помощью смесителя до гомогенного состояния, а затем гомогенную смесь на поддоне помещают в сушильную камеру, в которой удаляют физическую воду и получают силикатную массу с остаточной влажностью 1 мас.%. Сухую силикатную массу с помощью дробилки дробят до фракции 2-3 мм, а затем с помощью вибрационной мельницы измельчают до основной фракции не более 50-60 мкм. Измельченную порошкообразную силикатную массу насыпают в металлическую форму и помещают в муфельную печь. Силикатную массу подвергают сушке в течение 2 часов при температуре 40-50°С и в течение 3 часов при температуре 240-250°С до получения силикатной массы с остаточной влажностью 1 мас.%, а затем нагревают со скоростью 7-8°С/мин до температуры 625°С, при которой выдерживают в течение 1 часа. После нагрева температуру в печи повышают со скоростью 5-6°С/мин до 785°С, при которой проводят вспучивание силикатной массы в течение 1 часа. С целью снятия внутренних напряжений подвергают отжигу, для чего его остужают вместе с печью до комнатной температуры.
Для сокращения энергозатрат и упрощения технологии получения строительного материала путем сокращения числа ступеней термообработки шихты перед обжигом, а также улучшения поровой структуры и свойств строительного материала в заявляемом изобретении дробленые куски цеолитовой породы фракции 3-5 мм и стекловидного перлита фракции 0,5-5 мм подвергают раздельному помолу в вибрационной мельнице: цеолитовой породы в течение 7-9 минут, а закристаллизованного перлита в течение 5-7 минут до размеров частиц не более 100 мкм, а затем термической подготовке путем сушки в сушильной камере: цеолитовой породы при температуре 200-300°С в течение 0,25 часа, закристаллизованного перлита - при температуре 315°С  в течение 0,15 часа.
Для стабилизации пены и фиксации объема вспученной силикатной массы при максимальной температуре обжига перед отжигом производят резкое снижение температуры обжига строительного материала на 100-150°С.
3
Средняя плотность строительного материала составляет 440 кг/м, его прочность при сжатии - 5,4 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 2,0 мм.
Пример 8
Проводят аналогично примеру 7 при следующем соотношении компонентов:
Цеолитовая порода
36
Перлит закристаллизованный
46
Гидроксид натрия
18
Добавка в силикатную массу 18% NaOH в виде водного раствора обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и закристаллизованного перлита, равное 0,22, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды 2,78. Вспучивание строительного материала производят при температуре 810°С.
3
Средняя плотность строительного материала составляет 490 кг/м, его прочность при сжатии - 4,7 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 1,5 мм.
Пример 9
Проводят аналогично примеру 7 при следующем соотношении компонентов:
Цеолитовая порода
19
Перлит закристаллизованный
64
Гидроксид натрия
17
Добавка в силикатную массу 17% NaOH в виде водного раствора обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и закристаллизованного перлита, равное 0,205, а отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды 2,94. Вспучивание строительного материала производят при температуре 835°С.
3
Средняя плотность строительного материала составляет 570 кг/м, его прочность при сжатии - 11,0 МПа, структура равномернопористая, диаметр пор составляет менее 1 мм.
В таблицах 3, 4 и 5 приведены сравнительные характеристики свойств строительного материала, полученного соответственно с использованием гидратированного, стекловидного и закристаллизованного перлитов в сочетании с цеолитовой породой (композиции 1, 2 и 3).
Таблица 3
Влияние рецептурно-технологических факторов на свойства строительного материала композиции 1 состава «цеолитовая порода-перлит гидратированный»
Состав шихты и условия получения строительного материала, масс.% (композиция 1)
Номера составов
1
2
3
4
5
Цеолитовая порода
80
65
50
35
20
Перлит гидратированный
2
18
34
50
66
Гидроксид натрия
18
17
16
15
14
Отношение содержания гидроксида натрия к содержанию пород
0,22
0,205
0,191
0,177
0,163
Отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды
2,78
2,94
3,125
3,33
3,57
Температура термической подготовки пород:
- перлита, °С
320
320
320
320
320
- цеолитовой породы, °С
200-300
200-300
200-300
200-300
200-300
Температура термической обработки силикатной массы, °С
650
650
650
650
650
Температура обжига строительного материала, °С
745
765
785
805
825
Средняя плотность строительного материала, кг/м<sup>3</sup>
443
285
405
515
640
Прочность при сжатии строительного материала, МПа
5,5
2,4
5,0
12,0
6,3
Водопоглощение, мас.%
3
5
4
3
9
Коэффициент теплопроводности, кВт/м·°С
0,11
0,08
0,09
0,12
0,15
Структура строительного материала
Плотная
Равномерная мелкопористая структура, диаметр пор до 1,5-2,5 мм
Поры неравномерные
Таблица 4
Влияние рецептурно-технологических факторов на свойства строительного материала композиции 2 состава «цеолитовая порода-перлит стекловидный»
Состав шихты и условия получения строительного материала, масс.% (композиция 2)
Номера составов
1
2
3
4
5
Цеолитовая порода
81
61,5
42
22,5
3,00
Перлит стекловидный
1,00
21,5
42
62,5
83
Гидроксид натрия
18
17
16
15
14
Отношение содержания гидроксида натрия к содержанию пород
0,22
0,205
0,19
0,177
0,163
Отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды
2,78
2,94
3,13
3,33
3,57
Температура термической подготовки пород:
- перлита, °С
315
315
315
315
315
- цеолитовой породы, °С
200-300
200-300
200-300
200-300
200-300
Температура термической обработки силикатной массы, °С
600
600
600
600
600
Температура обжига строительного материала, °С
750
775
800
825
850
Средняя плотность строительного материала, кг/м<sup>3</sup>
450
300
420
545
630
Прочность при сжатии строительного материала, МПа
5,6
3,1
5,3
13,0
4,1
Водопоглощение, мас.%
2
4
3
2
10
Коэффициент теплопроводности, кВт/м·°С
0,12
0,09
0,10
0,13
0,15
Структура строительного материала
Плотная
Равномерная мелкопористая структура, диаметр пор до 1-2,0 мм
Поры неравномерные
Таблица 5
Влияние рецептурно-технологических факторов на свойства строительного материала композиции 3 состава «цеолитовая порода-перлит закристаллизованный»
Состав шихты и условия получения строительного материала, масс.% (композиция 3)
Номера составов
1
2
3
4
5
Цеолитовая порода
70
53
36
19
2
Перлит закристаллизованный
10
28
46
64
82
Гидроксид натрия
20
19
18
17
16
Отношение содержания гидроксида натрия к содержанию пород
0,25
0,235
0,22
0,205
0,19
Отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды
2,5
2,63
2,78
2,94
3,125
Температура термической подготовки пород:
- перлита, °С
335
335
335
335
335
- цеолитовой породы, °С
200-300
200-300
200-300
200-300
200-300
Температура термической обработки силикатной массы, °С
625
625
625
625
625
Температура обжига строительного материала, °С
760
785
810
835
860
Средняя плотность строительного материала, кг/м<sup>3</sup>
520
440
390
570
665
Прочность при сжатии строительного материала, МПа
7,2
5,4
4,7
11,0
8,1
Водопоглощение, мас.%
2
3
3
2
6
Коэффициент теплопроводности, кВт/м·°С
0,13
0,10
0,11
0,14
0,16
Структура строительного материала
Плотная
Равномерная мелкопористая структура, диаметр пор до 1-1,5 мм
Плотная, поры неравномерные
Анализ данных таблиц 3, 4 и 5 показывает, что результаты по физико-механическим свойствам, полученные для нового строительного материала с использованием гидратированных, стекловидных и закристаллизованных перлитов в сочетании с цеолитовой породой, незначительно меняются в ряду композиция 1 → композиция 2 → композиция 3. Это указывает на то, что при использовании предварительной термической подготовки пород и оптимизации составов шихты различия в морфологии, содержании воды в структуре исходных пород становятся не столь значимыми, чтобы оказывать значимое влияние на свойства синтезируемого материала. В результате этого возрастает воспроизводимость результатов и надежность технологии производства нового строительного материала при переходе от одной перлитовой разновидности к другой в составах шихт.
Также следует отметить, что существуют оптимальные составы шихты по основным компонентам и содержанию гидроксида натрия, а также температура обжига, которые являются предпочтительными с позиций экономии дорогостоящего щелочного компонента и снижения затрат электроэнергии, способствующие формированию оптимальной поровой структуры синтезируемого строительного материала, и, как следствие, росту показателей его физико-механических свойств. Так, для строительного материала состава «цеолитовая порода-перлит гидратированный» (табл.3) оптимальное содержание цеолитовой породы находится в пределах 65-35 мас.%, перлита гидратированного в пределах 18-50 мас.% и гидроксида натрия в пределах 15-17 мас.%. Указанное содержание гидроксида натрия обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита гидратированного в пределах 0,177-0,205 и отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды в пределах 2,94-3,33. Оптимальная температура обжига строительного материала состава «цеолитовая порода-перлит гидратированный» находится в пределах 765-805°С.
Для строительного материала состава «цеолитовая порода-перлит стекловидный» (табл.4) оптимальное содержание цеолитовой породы находится в пределах 22,5-61,5 мас.%, перлита стекловидного в пределах 21,5-62,5 мас.% и гидроксида натрия в пределах 15,0-17,0 мас.%. Указанное содержание гидроксида натрия обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита стекловидного в пределах 0,177-0,205 и отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды в пределах 2,94-3,33. Оптимальная температура обжига строительного материала состава «цеолитовая порода - перлит стекловидный» находится в пределах 775-825°С.
Для строительного материала состава «цеолитовая порода - перлит закристаллизованный» (табл.5) оптимальное содержание цеолитовой породы находится в пределах 19-53 мас.%, перлита закристаллизованного в пределах 28-64 мас.% и гидроксида натрия в пределах 17-19 мас.%. Указанное содержание гидроксида натрия обеспечивает отношение массы гидроксида натрия к массе цеолитовой породы и перлита закристаллизованного в пределах 0,205-0,235 и отношение суммарного содержания кремнеземсодержащих компонентов и гидроксида натрия к содержанию воды в пределах 2,63-2,94. Оптимальная температура обжига строительного материала состава «цеолитовая порода - перлит закристаллизованный» находится в пределах 785-835°С.
В таблице 6 приведены условия получения и сравнительные данные по физико-механическим свойствам строительных материалов, полученных по предлагаемому изобретению (композиции 1,2 и 3) в сравнении с прототипом (см. патент RU №2300506, МПК С03С 11/00, опубл. 08.05.2007 г.).
Таким образом, из таблицы 6 следует, что предлагаемый способ получения строительного материала имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом (см. RU патент №2300506 МПК, C03C 11/00, опубл. 08.05.2007 г.):
- повышение физико-механических и эксплуатационных свойств нового строительного материала (по структуре и прочности) за счет повышения однородности фазового состава и улучшения структуры материала, благодаря оптимизации условий подготовки исходных кремнеземсодержащих пород;
- повышение эффективности использования кремнеземсодержащих пород за счет комплексного использования цеолитовых пород и вулканических стекол (гидратированных, стекловидных и закристаллизованных перлитов) Мухор-Талинского месторождения;
- снижение расхода щелочного компонента за счет использования в составах шихты плавня в виде вулканических стекол (перлитов);
- снижение энергозатрат и трудоемкости производства за счет сокращения числа ступеней термической обработки перед вспучиванием, благодаря использованию сушки исходных кремнеземсодержащих пород.
Предлагаемый способ получения строительного материала прошел испытания и может быть использован в строительной индустрии в качестве теплоизоляционно-конструкционного материала в ограждающих конструкциях, а также в качестве теплоизоляции в теплоэнергетике и утепления теплопроводов. На основе вышесказанного можно сделать заключение, что полученный новый строительный материал на основе цеолитсодержащих пород и вулканических стекол (гидратированных, стекловидных и закристаллизованных перлитов) является долговечным строительным теплоизоляционно-конструкционным материалом, который целесообразно использовать в виде плит, мелкоштучных блоков, скорлуп для тепловой изоляции строительных конструкций, тепловых установок, а также для самонесущих элементов ограждения.