Обжиговые строительные материалы на техногенном сырье с улучшенными теплозащитными свойствами

2. Проблемы и перспективы развития промышленного железнодорожного транспорта / Е. П. Дудкин, В. М. Рыбачок, Е. С. Свинцов // Транспорт Российской Федерации. - 2006. - № 7. - С. 46-49.

3. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов [2008 г.] : утв. Министерством экономики РФ, Министерством финансов РФ, Государственным комитетом РФ по строительной, архитектурной и жилищной политике № ВК 477 21.06.1999; офиц. издание. - М. : Экономика, 2000. - 421 с.

Статья поступила в редакцию 01.07.2009;

представлена к публикации членом редколлегии Вал. В. Сапожниковым.

УДК 691.33 А. М. Славина

ОБЖИГОВЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ТЕХНОГЕННОМ СЫРЬЕ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

В работе представлены данные научного исследования по улучшению теплозащитных свойств обжиговых материалов с использованием техногенного сырья. Снижение коэффициента теплопроводности обосновано физико-химическими и физико-механическими исследованиями.

коэффициент теплопроводности, пористость, техногенное сырье, гранулированный доменный шлак, бой ячеистых бетонов.

Введение

В настоящее время рациональное природопользование и энергосбережение является приоритетным направлением развития науки, технологий и техники. Неудовлетворительное состояние окружающей среды и высокая стоимость топливно-энергетических ресурсов приводят к необходимости их бережного использования. В условиях кризиса, который затронул и строительную отрасль, эффективные обжиговые строительные материалы полифункционального назначения, т. е. одновременно являющиеся конструкционными, теплоизоляционными и облицовочными, имеют преимущество по сравнению со стандартными. Известно, что использование техногенных отходов в производстве строительных материалов и изделий позволяет не только исключить их негативное влияние на окружающую среду и экономить материальные и энергетические природные ресурсы, но и получить новые строительные материалы с прогнозируемыми свойствами. Именно поэтому получение обжиговых строительных материалов с улучшенными теплозащитными свойствами с привлечением техногенного сырья остается актуальным для строительного материаловедения.

1 Цели и объекты исследования

Принятый в 2003 г. СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» значительно повысил требования к теплозащите зданий и сооружений, что диктует необходимость создания новых строительных материалов с повышенными теплозащитными свойствами.

Целью исследований было создание обжиговых строительных материалов с пониженной теплопроводностью на основе техногенного сырья.

Объектами исследований служили техногенное сырье и получаемые на его основе керамический кирпич для облицовки стен и жаростойкие композиционные материалы, пригодные для футеровки и ремонта обжиговых вагонеток керамического производства и других тепловых агрегатов. При этом решались следующие основные задачи:

1. Выбор в качестве одного из компонентов шихты техногенного сырья, пригодного для получения обжиговых материалов с улучшенными теплоизоляционными свойствами, в том числе осветленного лицевого кирпича.

2. Физико-химические исследования выбранного техногенного сырья и выявление зависимости теплозащитных свойств полученного обжигового материала от химической природы и поровой структуры техногенного компонента.

3. Разработка обжиговых строительных материалов с улучшенными теплозащитными свойствами, различного ассортимента и назначения, с использованием выбранных техногенных компонентов, и исследование их эксплуатационных свойств.

4. Опытно-промышленное опробование разработанных составов обжиговых материалов и определение экологической эффективности применения техногенного сырья.

2 Теоретические основы улучшения теплопроводности керамических материалов

Вопросами теплопроводности твердых обжиговых материалов в разное время занимались У. Кингери, Дж. Займан, А. С. Охотин, Р. З. Рахимов, С. О. Гладков, Э. А. Петровский и др.

В соответствии с современными научными представлениями о теплопроводности керамических материалов, в твердой матрице керамических обжиговых материалов преобладающим механизмом передачи тепла является фононная проводимость, осуществляемая за счет колебаний решетки. Чем более ангармоничны колебания решетки, тем меньше величина среднего пробега фононов, что способствует снижению теплопередачи. В работах У. Кингери [1] показано, что уменьшение длины свободного пробега фононов наблюдается для кристаллов с более сложной структурой, характеризующейся большим нарушением систематичности решетки и рассеиванием фононов в керамической матрице. При этом теплопроводность вещества, имеющего одинаковый химический состав, но

находящегося в кристаллическом или аморфном состоянии, различна - у кристаллического вещества теплопроводность выше, чем у аморфного.

Таким образом, введение твердых фаз более сложного состава с учетом структуры, кристаллической или аморфной, может привести к уменьшению теплопроводности всей композиции. Следовательно, при производстве керамического кирпича целесообразно заменить традиционный отощитель, представленный кристаллическим кварцем, на техногенный аморфный компонент более сложного состава.

Учеными кафедры «Инженерная химия и естествознание» ПГУПС [2] было установлено, что наиболее информативными параметрами для оценки теплопроводности цементных композиций являются энергетическая характеристика сложных неорганических веществ в виде

стандартной энтальпии (энергосодержания) -ДН°98, кДж/моль, а также параметр молярной массы М, г/моль. Чем ниже энергосодержание твердых фаз и выше значение их молярных масс, тем ниже значение коэффициентов теплопроводности.

Известные представления о твердой фазе как имеющей резервы понижения теплопроводности в цементном материаловедении целесообразно применить при конструировании керамических обжиговых композиций для улучшения теплозащитных свойств.

Одновременно с особенностями структуры и состава значительное влияние на теплозащитные свойства материалов оказывает пористость. Известно, что с повышением пористости теплопроводность снижается. Предпочтительными в керамическом материале будут поры диаметром менее 10 мкм, так называемые промежуточные поры (диаметром от 0,5 до 10 мкм) и безопасные поры (диаметром 0,5 мкм и менее) по классификации Н. А. Лоховой - Г. И. Бердова. Такие поры будут способствовать повышению морозостойкости и долговечности материалов, а также позитивно влиять на прочность черепка.

В то же время, при конструировании жаростойких композиций с высокими температурами эксплуатации, следует учитывать, что с ростом температуры теплопроводность газов увеличивается. При этом известно, что теплопроводность газов скачкообразно снижается, если размер пор становится меньше длины свободного пробега газовых молекул.

Благодаря исследованиям ученых Е. Н. Демина и В. П. Андреева [3] в области улучшения теплозащитных свойств теплоизоляционных материалов, было установлено, что при высоких температурах лучшие свойства имеют материалы с порами размером менее 10 мкм. Следовательно, при конструировании жаростойких материалов с улучшенными теплозащитными свойствами необходимо стремиться к созданию оптимальной пористости со смещением в сторону микропор.

3 Характеристика техногенного сырья с точки зрения возможности улучшения теплозащитных и декоративных свойств обжиговых строительных материалов

Основы теории и технологии производства обжиговых материалов на базе техногенного сырья были разработаны в различные годы П. И. Боженовым, В. В. Прокофьевой, Г. И. Стороженко, А. Ю. Столбоушкиным, А. А. Новопашиным, И. Я. Глибиной, Б. А. Григорьевым, Н. Г. Чумаченко, С. Ф. Кореньковой, А. И. Хлыстовым, М. Ю. Мальковой и др. Было установлено, что введение техногенных компонентов в керамическую шихту во многих случаях способствует улучшению физикомеханических свойств обжиговых материалов, однако влияние природы этих материалов на их теплозащитные свойства при этом рассматривалось недостаточно.

Взяв за основу изложенные выше фундаментальные представления, мы выбрали критерии оценки техногенного сырья с целью прогноза физико-технических и теплозащитных свойств строительных материалов, это:

структура вводимых компонентов (кристаллическая, аморфная);

привнесение дополнительной пористости вводимыми твердыми фазами;

возможность формирования после обжига новообразований с низкими значениями энтальпий и высокими мольными массами.

Таким критериям удовлетворяет техногенное сырье, представленное гранулированными доменными шлаками и боем ячеистых бетонов.

При исследованиях использовались гранулированные доменные шлаки из г. Череповца (Россия) и Макеевки (Украина), имеющие аморфную структуру и содержащие фазы монтичеллита, шпинели, белита, алюмосиликаты кальция и магния, а также небольшое количество соединений железа и марганца [4]. Данные шлаки относятся к нейтральным, или слабо-кислым. Модуль основности шлаков составляет 0,97-1,1. В связи с тем что модуль крупности макеевского шлака велик, а также необходимостью предварительного отсева, в дальнейшем при исследованиях использовали череповецкий шлак, который содержит многочисленные закрытые поры диаметром 10-30 мкм.

Использовался бой ячеистых бетонов автоклавного и неавтоклавного твердения, содержащий фазы кварца, гиролита, тоберморита, ксонотлита и других гидросиликатов. Бой пенобетона неавтоклавного твердения содержит портландит, который может влиять на декоративный характер лицевой поверхности, осветляя керамический черепок. В соответствии с данными ртутной порометрии в тонкомолотом бое пенобетона содержится значительное количество микропор диаметром менее 10 мкм. Таким образом выяснено, что выбранное техногенное твердофазное сырье способно привносить в строительный материал дополнительную пористость за счет собственной.

Наряду с улучшением теплозащитных свойств обжиговых керамических материалов стоит задача получения осветленного кирпича.

Ранее было установлено, что такой эффект возможен при введении в керамическую шихту техногенных фаз с катионами кальция и магния. Для получения черепка светлого тона в работе был использован бой неавтоклавного пенобетона, представленный фазами кварца, тоберморита, гиролита, ксонотлита и другими гидросиликатами.

В качестве глинистой составляющей применялась кембрийская глина месторождения Красный Бор.

Критерии оценки техногенного отощителя для керамического кирпича на кембрийской глине с целью прогноза физико-технических и теплозащитных свойств этого материала представлены в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1. Критерии оценки техногенного отощителя для керамического кирпича на кембрийской глине с целью прогноза физико-технических и теплозащитных свойств строительного материала

Природные и техногенные силикаты в качестве отощителя (основной фазовый состав) Прогнозируе мое изменение фазового состава отощителя керамическог о черепка Фундаментальные химические и термодинамически е характеристики основных фаз Прогнозируемое улучшение физико-технических и теплозащитных свойств строительного материала

-ан°98, кДж/моль Мольна я масса, г/моль Общая пори- стость, % Средняя плотность черепка, г/см3 Теплоп роводно сть X, Вт/

Строит. песок (кристал. состояние): кварц Кварц 911,0 60,1 26,0 1,9 0,31

Гранулирован ный доменный шлак (аморфное состояние): геленит, окерманит, мелилит Усложнение за счет кристаллизаци и из аморфных фаз при обжиге Уменьш ение Увеличе ние Увеличени е за счет привносим ой пористости Уменьше ние Уменьш ение

Увеличени

Бой ячеистого е за счет

бетона Усложнение собственно

(кристал. за счет й пори-

состояние): кристаллизаци стости и

кварц, и м м формирую м м

тобарморит, новообразован щейся (при

ксонотлит ий разрушени

и другие при обжиге и

гидросиликаты гидросилик

атов)

4 Получение эффективных строительных материалов с использованием выбранного техногенного сырья

4.1 Получение эффективного керамического кирпича с осветленной лицевой поверхностью

Для получения эффективного керамического кирпича светлого тона бой неавтоклавного пенобетона подвергался грубому помолу, отсеивался на сите № 1 и вводился в шихту в качестве отощителя.

Подбор оптимального состава проводили с использованием математического аппарата регрессионного анализа. Были определены параметры оптимизации: предел прочности на сжатие (min 10 МПа) и светлый цвет черепка (достигается при содержании боя пенобетона не менее 25 мас. %).

Получено уравнение регрессии:

f = —0,29 \хх — 0,00265x^2 + 24,594,

где х1 и х2 - значения независимых переменных, боя ячеистых бетонов и глины соответственно.

Решив данное уравнение, установили, что прочность на сжатие достигает критической точки в 10 МПа при следующем оптимальном соотношении компонентов: глина от 52,11 % и выше; бой неавтоклавного пенобетона до 47,89 %.

Был выбран оптимальный состав, содержащий 65 масс. % глины и 35 масс. % боя неавтоклавного пенобетона.

Сравнительные физико-механические характеристики образцов лицевого кирпича с отощителем из боя неавтоклавного пенобетона представлены в табл. 2.

ТАБЛИЦА 2. Сравнительные физико-механические характеристики образцов лицевого кирпича с отощителем из боя неавтоклавного пенобетона

Состав, масс. % Плот- ность, г/см3 Водопог лощение, % Предел прочности, МПа Тепло- провод- ность, Вт/(м-К) Цвет черепка

изгиб сжатие

Контрольный: глина - 70 песок - 30 1,912 7,7 ср. 3,93 мин. 3,93 ср. 15,1 мин. 12,6 0,31 Кирпично- красный

Опытный: глина - 65 бой неавтоклавного пенобетона < 1 мм - 35 1,41 20,0 ср. 3,12 мин. 2,86 ср. 12,2 мин. 11,5 0,154 Светло- бежевый

В результате дифференциально-термических анализов, съемок рентгеновских дифрактограмм, инфракрасной спектроскопии контрольного образца с боем пенобетона было установлено, что в системе «глина - ячеистый бетон» при обжиге кристаллизуются фазы волластонита и мелилита.

Значительное снижение теплопроводности как на химическом, так и на физическом уровне обусловливается наличием мелких пор, введенных в

шихту с частичками ячеистого бетона, и в матрице, а также усложнением состава матрицы за счет вновь образующихся фаз волластонита и мелилита.

Невысокая механическая прочность опытного образца объясняется тем, что введенный в шихту бой неавтоклавного пенобетона хрупок и, следовательно, снижает общую прочность черепка.

Для получения более высоких прочностных характеристик с сохранением светлого бежевого тона лицевой поверхности бой ячеистого бетона с размером зерен менее 0,08 мм вводили в шихту в тонкомолотом состоянии. Для достижения удовлетворительных показателей прочности и усадки в шихту в качестве отощителя добавляли песок или гранулированный доменный шлак.

Физико-механические характеристики образцов лицевого кирпича с добавкой тонкомолотого боя ячеистого бетона после обжига при 1000 °С представлены в табл. 3.

ТАБЛИЦА 3. Физико-механические характеристики образцов лицевого кирпича с добавкой тонкомолотого боя ячеистого бетона

Состав, масс. % Плот- ность г/см3 Водо- погло- щение, % Предел прочности, МПа Теплопро водность, Вт/(м-К) Цвет черепка

изгиб сжатие

Состав 1: глина - 60 бой ячеистого бетона - 20 (тонкомолотый) песок - 20 1,540 20,9 ср. 1,8 мин. 1,7 ср. 11,1 мин. 10,2 0,302 Кирпично- красный

Состав 2: глина - 60 бой ячеистого бетона - 20 (тонкомолотый) череповецкий шлак - 20 1,520 22,0 ср. 4,2 мин. 3,9 ср. 15,3 мин. 13,2 0,239 Светло- бежевый

Как видно из табл. 3, введение боя ячеистого бетона в тонкомолотом состоянии позволяет осветлить черепок при том, что процентное содержание в шихте боя меньше. Замена песка на череповецкий шлак не только улучшает прочностные показатели образцов, но и понижает плотность черепка и уменьшает теплопроводность.

Несмотря на то что основной эффект по снижению теплопроводности достигается за счет пористости, несомненно, ему способствуют дефектность кристаллической решетки и усложнение керамической матрицы, в которой при обжиге формируются такие фазы, как геленит, окерманит, мелилит, имеющие более низкие значения энтальпии и более высокие мольные массы. Исследования распределения пор по размерам с помощью ртутной порометрии в образцах лицевого кирпича с добавкой

тонкомолотого боя ячеистого бетона показали, что в образцах с отощителем из череповецкого шлака пористость, по сравнению с образцом с отощителем из песка, увеличилась, особенно возросло количество более мелких пор (менее 10 мкм - на 8 %).

Таким образом, введение в керамическую шихту череповецкого шлака и тонкомолотого боя ячеистого бетона способствует увеличению теплозащитных свойств материала путем снижения коэффициента теплопроводности как за счет образования дополнительной пористости, так и за счет усложнения структуры матрицы.

4.2 Получение жаростойких материалов для футеровки обжиговых

вагонеток керамического производства и ремонтных работ

В технологии получения керамических материалов большое значение имеет процесс обжига, при котором используется большое количество жаростойких материалов. В кирпичном производстве с рабочей температурой до 1000 °С целесообразно применять жаростойкие композиционные материалы на силикатном вяжущем, обладающие достаточной термостойкостью, хорошей прочностью и имеющие низкий коэффициент теплопроводности.

Этот же подход на основе критериев выбора техногенного отощителя для керамического кирпича был применен и при выборе техногенного заполнителя для жаростойких композиций. Современные жаростойкие кладочные композиции часто содержат природный кварцевый песок. Принимая во внимание необходимость усложнения состава жаростойких композиционных материалов с целью снижения теплопроводности, при подборе компонентов кварцевый песок заменили на более сложные техногенные силикаты, представленные в виде гранулированных доменных шлаков.

Были разработаны составы универсальных сухих смесей жаростойких (ССЖ), которые после затворения водой могут использоваться как в качестве жаростойких кладочных растворов для ремонта и восстановления мелких дефектов футеровок обжиговых вагонеток, так и для получения легкого жаростойкого бетона.

В состав ССЖ входит глиносодержащий компонент в виде пресспорошка, представляющий собой гранулы сферической формы, получаемые из шликера, состоящего из смеси глин, кварцевого песка, известняка; гранулированный доменный металлургический шлак с модулем крупности Мкр = 2,75; тонкомолотая силикат-глыба.

Преимуществом таких жаростойких смесей является простота приготовления, а также то, что затворяются смеси водой. Отвердение происходит при сушке, при температуре 130 °С, что особенно актуально для керамических заводов малой и средней мощности.

Были проведены исследования зависимости прочности образцов жаростойкой кладочной смеси от температуры обжига и содержания череповецкого шлака и определен ее рациональный состав: 40 % пресспорошка, 60 % череповецкого шлака. Роль вяжущего выполняла

тонкомолотая силикат-глыба, которая вводилась в сухую жаростойкую смесь в количестве 1 % для получения кладочного раствора и в количестве 2 % для получения легкого жаростойкого бетона. Наличие силиката натрия и огнеупорной глины в составе сырьевой смеси на основе шлаков существенно влияет на процесс спекания и фазообразования и позволяет расширить интервал спекания шихты. Рентгенографические исследования показывают, что в интервале температур от 800 до 1000 °С в образцах на основе гранулированного доменного шлака увеличивается содержание фаз геленита, окерманита и анортита с низкими значениями энтальпии и высокими мольными массами по сравнению с песчаным заполнителем, что способствует увеличению прочности материала и снижению теплопроводности.

На основе разработанной ССЖ были получены жаростойкие композиционные материалы различного назначения, физико-механические характеристики которых представлены в табл. 4.

В качестве контрольной кладочной смеси для получения сопоставимых результатов исследования был приготовлен кладочный раствор, содержащий глину и кварцевый песок.

Жидкостью затворения для термоизоляционной массы и клеевой композиции служит натриевое жидкое стекло по ГОСТ 13078-81.

Для получения легких жаростойких бетонов к сухой смеси добавлялся крупный заполнитель, в качестве которого возможно использование гранулированного доменного шлака крупностью от 5 до 10 мм. Такой заполнитель можно получить, отсеивая на сите необходимую фракцию 510 мм гранулированного доменного шлака (г. Макеевка), а фракции менее 5 мм использовать при производстве кирпича, т. е. отход металлургического шлака может утилизироваться комплексно на одном предприятии.

ТАБЛИЦА 4. Физико-механические характеристики жаростойких композиционных

материалов, полученных на основе ССЖ

Ассортимент жаростойких композиционных материалов Состав, % Плотнос ть, г/см3 Прочно сть после сушки Rсж, МПа Прочность после обжига при 1000 °С, RW, МПа Теплопро водность Вт/

1. Контрольный кладочный раствор Глина 40 Песок 60 1,90 1,0 5,1 0,259

2. Разработанный кладочный раствор Пресс- 39 порошок ГДШ 60 (г. Череповец) Силикат-глыба 1 1,55 4,0 19,0 0,221

3. Элементы футеровки Пресс- 8 порошок 1,59 4,75 22,4 0,223

Ассортимент жаростойких композиционных материалов Состав, % Плотнос ть, г/см3 Прочно сть после сушки Rсж, МПа Прочность после обжига при 1000 °С, Асж, МПа Теплопро водность Вт/

(блоки) ГДШ 60 (г. Череповец) Силикат-глыба 2

4. Легкий бетон Пресс- 25 порошок ГДШ 30 (г. Череповец) ГДШ 33 (г. Макеевка) Тонкомолотый 10 бой ячеистого бетона Силикат-глыба 2 1,58 4,1 10,6 0,217

5. Термоизоляционная масса Пресс- 17 порошок ГДШ 83 (г. Череповец) 1,35 2,0 8,2 0,115

6. Клеевая композиция ГДШ 85 (г. Череповец) Нефелиновый 15 шлам 1,70 10,0 20,0 0,230

Предлагаемые составы легких жаростойких бетонов имеют хорошие прочностные показатели и термостойкость (до 10 водных теплосмен) и могут применяться для футеровки разных зон обжиговых вагонеток с рабочей температурой до 1000 °С.

Заключение

Базируясь на современных научных представлениях о теплопроводности твердых неметаллических тел, можно прогнозировать улучшение теплоизоляционных свойств обжиговых керамических материалов.

Были получены образцы эффективного керамического кирпича с осветленной лицевой поверхностью, легкие жаростойкие бетоны (D1600) и жаростойкие смеси на основе техногенного сырья, отличающиеся пониженным коэффициентом теплопроводности.

Библиографический список

1. Введение в керамику / У. Д. Кингери. - М. : Стройиздат, 1967. - 499 с.

2. Фундаментальные основы свойств композиций на неорганических вяжущих / Л. Б. Сватовская. - СПб. : ПГУПС, 2006. - 84 с. - ISBN 5-7641-0160-3.

3. Эффективность теплоизоляционных материалов при высоких температурах [Электронный ресурс] / Е. Н. Демин, В. П. Андреев. - Режим доступа : http://www. rtpk.ru/stati/Demin_1.htm, 2006.

4. Комплексное использование минерального сырья и экология / П. И. Боженов. -М. : Изд-во Ассоциации строительных вузов, 1994. - 264 с. - ISBN 5-87829-004-9.

Статья поступила в редакцию 03.07.2009;

представлена к публикации членом редколлегии Л. Б. Сватовской.

УДК 658.6

В. В. Шматченко, П. А. Плеханов, В. Г. Иванов

ИНТЕГРАЦИЯ СИСТЕМ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА, ОХРАНЫ ТРУДА, ОХРАНЫ ПРИРОДЫ И БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ

Статья посвящена специфике развития интегрированных систем менеджмента качества и безопасности в условиях структурной перестройки железнодорожного транспорта в России. Определены требования к интегрированным системам менеджмента. В статье приведены структура и типовые компоненты систем менеджмента качества, охраны труда, экологической безопасности и безопасности движения.

интеграция, процедура, риск, опасное событие, компоненты системы менеджмента, доказательство безопасности.