СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR PRODUCING POROUS BUILDING MATERIAL

Изобретение относится к производству строительных материалов, в частности к способу изготовления пористых строительных материалов типа пеностекла, которые могут быть использованы в строительстве в качестве облегченных несущих элементов зданий с теплоизолирующими свойствами, для тепловой и акустической изоляции ограждающих конструкций, межкомнатных перегородок и перекрытий, производственного оборудования, трубопроводов, для тепловой изоляции холодильных установок промышленных холодильников, складов с термическим регулированием и любых других конструкций и установок.
Известны блочные и гранулированные теплоизоляционные пористые строительные материалы неорганического состава, получаемые из смеси порошка стекла с газообразователем. Все типы и классы таких материалов обозначают единым термином - пеностекло. В настоящее время имеется множество патентов по получению блочного и гранулированного пеностекла. Изготовление пеностекла по традиционной технологии из специально сваренного стекла подробно изложено в монографиях [1, 2]. Стекло специального состава варится из смеси песка с плавнями при температуре 1400-1500°C. Из-за высоких энергетических затрат такая технология не получила широкого распространения. Для снижения энергетических затрат на варку стекла пеностекло изготавливают также из боя стекла с технологическими добавками [3-7]. Однако бой стекла имеет ограниченный сырьевой ресурс. В ряде патентов предлагают применять смесь измельченного боя стекла с природным кремнеземсодержащим сырьем [8-10].
3
3
Из-за высоких энергетических затрат на варку стекла пеностекло по традиционной технологии выпускают с низкой плотностью в области 200 кг/м и, соответственно, с низкими прочностными характеристиками. Современное строительство испытывает дефицит в дешевом, легком, но достаточно прочном блочном материале неорганического состава. Упрочнение пористых строительных материалов достигается за счет повышения их плотности. Использовать дорогой стеклопорошок для изготовления пористых строительных материалов с плотностью >350 кг/м, которые уже можно применять в качестве облегченных несущих элементов зданий, нерентабельно. Таким образом, расширению производств пористых строительных материалов пеностекольного типа препятствует отсутствие доступного и дешевого сырья.
Для снижения энергетических затрат на производство, расширения сырьевой базы и ассортимента пористой строительной продукции в настоящее время разрабатываются способы изготовления и составы с использованием широко распространенного природного кремнеземсодержащего сырья - алюмосиликатных и кремнистых пород без их предварительной переплавки в стекло. Разработка способов получения блочных и гранулированных пористых строительных материалов из природного кремнеземсодержащего сырья ведется давно [11]. В качестве такого сырья применяют перлиты [12, 13], кремнистые породы, такие как трепелы, диатомиты, опоки [14-18], цеолитовые [19-21] и магматические породы [22]. Общим во всех разработках является то, что в составы на основе природного кремнеземсодержащего сырья добавляют соединения, снижающие температуру плавления - плавни. Естественная температура плавления такого сырья, как правило, выше 1200°C.
Многочисленные разработки по изготовлению блочных пористых строительных материалов из природного сырья объединены общими признаками, неблагоприятными в производстве: 1 - в качестве плавня применяют экологически небезопасную щелочь (гидроксид натрия - NaOH), которая относится ко второму классу вредности; 2 - двойное измельчение. Вначале измельчают породу, а затем высушенную силикатную массу; 3 -вспенивающейся шихтой является порошок. Порошковая технология приводит к высокой запыленности печного отделения; 4 - блочный пористый материал из природного сырья, также как и блочное пеностекло, изготавливают только в жаростойких формах. Форма является контейнером для порошковой шихты и обеспечивает сохранение геометрической конфигурации пористой продукции при расплавлении и вспучивании шихты. Применение жаростойких форм удорожает производство и конструктивно усложняет термическое оборудование.
Лучшими плавнями, снижающими температуру плавления кремнеземсодержащих составов, являются соединения и материалы, содержащие щелочные элементы (Na, К). Наиболее доступными являются материалы и соединения, содержащие Na. При этом из известных Na-содержащих соединений лучшим плавнем является гидроксид натрия (NaOH) - щелочь. Использование именно щелочи при изготовлении пористых строительных материалов из составов на основе кремнистых пород (опока, трепел, диатомит и др.), которые не имеют собственного источника вспучивающего газа, связано также с тем, что во влажной щелочной массе образуются гидратированные силикаты натрия, которые являются источником вспучивающего газа - паров воды. Положительным фактором применения NaOH в качестве плавня для любых кремнеземсодержащих пород является также то, что щелочь можно смешивать с порошком сырья в виде водного раствора без ее высаливания на поверхность при сушке увлажненной массы. Смешивание порошков породы с раствором гидроксида натрия обеспечивает равномерность его распределения в массе и плотный контакт этого соединения с частицами сырья.
2
3
При варке силикатных стекол широко используется экологически безопасный, доступный и относительно недорогой Na-содержащий плавень - кальцинированная сода (NaCO). Для изготовления пористых строительных материалов из природного сырья до предложенного решения кальцинированную соду не применяли, так как при сухом смешивании порошков сырья и соды вспучивание незначительное. При смешивании порошка сырья с водным раствором кальцинированной соды во время сушки влажной массы, она, как любая растворенная соль, высаливается на поверхность массы.
Из большого числа известных решений по изготовлению пористых теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных строительных материалов с использованием природного кремнеземсодержащего сырья наиболее близкими к предложенному являются следующие.
3
2
Например, известен способ изготовления теплоизоляционного материала, включающий смешивание кремнистой породы и щелочного компонента - NaOH выдерживание щелочной смеси при положительной температуре в течение 2-24 часов с последующим вспучиванием при температуре 650-750°C в течение 5-40 минут до увеличения первоначального объема смеси не менее чем на 10%, после чего вспученную силикатную массу подвергают размолу до фракции менее 0,5 мм, полученную порошковую шихту засыпают в формы, нагревают до температуры 700-800°C и выдерживают в течение 15-60 минут. Блочный теплоизоляционный строительный материал по известному решению получают с плотностью 200-400 кг/м и с прочностью на сжатие 25-80 кг/см [15].
Известный способ характеризуется уже упомянутыми недостатками:
- использование в качестве плавня только щелочи - гидроксида натрия;
- двукратное измельчение. Вначале измельчают породу, затем предварительно обожженную вспученную силикатную массу;
- двукратный обжиг. Вначале обжигают щелочную силикатную смесь в кусках, затем в виде порошка в жаростойких формах;
- порошковая технология приводит к повышенной запыленности печного отделения;
- изготовление блочного пеносиликата в жаростойких формах, что увеличивает затраты на производство.
3
Известен способ изготовления блочного теплоизоляционного строительного материала - пеносиликата из порошков несортного стекла, песка, газообразователя и раствора силиката натрия, в котором для устранения высокой запыленности печного отделения из увлажненной смеси исходных компонентов формуют окатыванием гранулы размером 2-15 мм, их помещают в жаростойкие формы и нагревают до температуры 760-800°C, в процессе чего происходит плавление и вспучивание гранулированной шихты с образованием единого пористого блока. По известному решению получают блочный теплоизоляционный материал с плотностью 220-265 кг/м [4].
Основными недостатками данного решения являются:
- изготовление блочного пеносиликата в жаростойких формах, что увеличивает затраты на производство;
- в качестве основного алюмосиликатного сырья используют преимущественно порошок несортного стекла, что ограничивает возможности производства из-за его малотоннажности;
- ограниченный по плотности ассортимент пористой продукции, которая может использоваться преимущественно только в качестве теплоизоляционного материала.
Известен способ изготовления пористых строительных материалов из природного кремнеземсодержащего сырья с использованием в качестве плавня щелочного компонента - гидроксида натрия (NaOH) [16]. Способ изготовления заключается в измельчении природного сырья, смешивании порошка с водным раствором щелочи с концентрацией 46 мас.% при соотношении щелочи к порошку как 0,08-0,40, щелочную силикатную массу высушивают до остаточной влажности менее 5%, затем ее измельчают до размера не более 100 мкм, порошок засыпают в формы, нагревают до температуры вспучивания в диапазоне температур 650-900°C, а затем охлаждают.
Основными недостатками известного способа изготовления пористого строительного материала из природного кремнеземсодержащего сырья являются следующие:
- в качестве плавня применяют только щелочь;
- двукратное измельчение. Вначале измельчают природное сырье, а затем измельчают до высокой степени тонины (менее 100 мкм) сухую силикатную массу;
- высокая запыленность печного отделения, так как в жаростойкие формы засыпают тонкий порошок;
- изготовление блочного пеносиликата в жаростойких формах, что увеличивает затраты на производство;
длительный режим нагревания порошковой шихты при следующей последовательности подъема температур, °C: 145-155 - 6-12 ч; 170 - 6-8 ч; 190 - 6-8 ч; 250 - 6-8 ч; 320 - 6-8 ч; 580-600 - 6-8 ч; 680-720 - 3-4 ч. При таком длительном режиме теплоизоляционный строительный материал при его самом высоком качестве будет экономически неконкурентоспособен.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения конструкционно-теплоизоляционного пеностекла из кремнеземсодержащего сырья, который смешивают с щелочным компонентом, в качестве которого применяют кальцинированную соду и/или поташ и раствор щелочи, полученную после смешения массу гранулируют на пресс-грануляторе, гранулы термообрабатывают во вращающейся печи при 500-600°C и затем размалывают до порошка, который засыпают в металлические жаростойкие формы и обжигают при температуре 700-850°C [23].
Известный способ изготовления блочного пеностекла характеризуется типовыми недостатками порошковой технологии, а именно:
- двухкратное измельчение. Вначале измельчают природное сырье, а затем измельчают до порошка гранулы, приготовленные из увлажненной массы и термообработанные при 500-600°C;
- завышенные энергозатраты за счет двухкратной термообработки (500-600 и 700-850°C) и обжига порошка в металлических формах. Для нагревания металлических форм требуется большое количество дополнительного тепла;
- технологическое усложнение производства в связи с обжигом порошка в жаростойких формах;
- высокая запыленность печного отделения, так как в жаростойкие формы засыпают порошок.
Задачей изобретения является создание безопасного и менее затратного способа изготовления пористых строительных материалов широкого класса назначения с высокими потребительскими свойствами из широко распространенного кремнеземсодержащего сырья.
Техническим результатом предложенного изобретения является снижение себестоимости продукции за счет изготовления блочных пористых строительных материалов без использования металлических форм в процессе обжига. Предложенный способ характеризуется повышенной экологической безопасностью и возможностью выпуска пористой строительной продукции широкого спектра назначения теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявленном способе изготовления пористого строительного материала, включающем смешение измельченного кремнеземсодержащего сырья со щелочным компонентом, гранулирование, термообработку и обжиг, гранулы увлажняют клеящим раствором в соотношении по массе клеящего раствора к гранулам как 0,05-0,15, опудривают порошком кремнеземсодержащего сырья в соотношении по массе опудривающего порошка к гранулам как 0,02-0,05, прессуют заготовку блока, которую перед обжигом сушат.
Предложенный способ позволяет изготавливать блочный пористый строительный материал без жаростойких форм в виде заготовок блоков, сформованных из гранулированной шихты. Такой способ уменьшает энергозатраты на производство и предотвращает запыленность печного отделения, что снижает экологическую нагрузку на производство.
Возможность прессования заготовок блоков из гранулированной шихты с сохранением геометрической конфигурации заготовок блоков после выемки из прессовочной формы заключается в том, что на поверхность гранул, увлажненных клеящим раствором, опудриванием наносят слой кремнеземсодержащего порошка. Порошок пропитывается клеящим раствором с формированием на гранулах клеящего слоя. Под воздействием прессовочного воздействия (давление, вибрация и др.) гранулы соединяются друг с другом клеящим слоем вокруг них и прочно скрепляются.
Для увлажнения поверхности гранул клеящим раствором целесообразно использовать водный раствор технического жидкого стекла, клейстер, клеи для обоев и любые другие водные клеящие растворы, на которые порошок кремнеземсодержащего сырья будет равномерно налипать и удерживаться на гранулах в виде клеящего слоя.
Ограничение отношения по массе клеящего раствора к гранулам как 0,05-0,15 является наиболее оптимальным уровнем увлажнения гранул. При меньшем увлажнении порошок плохо налипает на поверхность гранул. Большее увлажнение нецелесообразно в связи с ухудшением качества прессованных заготовок блоков и с повышенными энергетическими затратами на сушку заготовок блока.
Формирование на гранулах слоя из кремнеземсодержащего порошка, пропитанного клеящим раствором, решает две задачи.
Во-первых, обеспечивает слипание гранул друг с другом в прессовочной форме под воздействием внешних усилий (давление, вибрация и др.). Заготовка приобретает заданную геометрическую конфигурацию и сохраняет ее после выемки из формы, а также при последующих технологических операциях.
Во-вторых, за счет того что температура плавления порошка оболочки вокруг гранул выше температуры плавления самой гранулы, сформованный блок не растекается и не теряет геометрическую конфигурацию при достижении температуры вспенивания при обжиге. Гранулы во время обжига вспучиваются и заполняют собой пространство между гранулами с образованием монолитного пористого блока.
Указанный диапазон отношения массы опудривающего порошка к гранулам как 0,02-0,05 является оптимальным для прессования заготовки блока и поддержания геометрической конфигурации блока без растекания во время обжига.
В качестве опудривающего порошка целесообразно использовать измельченную породу, из которой изготавливается сам блок или порошок другого кремнеземсодержащего сырья: нетугоплавкие глины, кремнистые породы (опока, трепел, диатомит), цеолитсодержащие туфы и другие аналогичные кремнеземсодержащие породы.
Сушка прессованной заготовки блока необходима для удаления избытка влаги из клеящего слоя для увеличения ее прочности и для стабилизации свойств перед последующим обжигом. Прессованные заготовки блока сушат при любой положительной температуре, позволяющей сушить заготовку блока без разрушения и трещин.
3
3
Реализация предложенного изобретения позволяет получать широкий спектр пористых строительных материалов неорганического состава - теплоизоляционных с плотностью 200-300 кг/м, а также теплоизоляцонно-конструкционных с плотностью выше 300 кг/м.
Способ получения блочного пористого строительного материала без использования металлических форм предлагается осуществить следующим образом.
Природное кремнеземсодержащее сырье - кремнистую или алюмосиликатную породу при необходимости просушивают, дробят на любом виде дробилок, измельчают на любом измельчающем оборудовании и смешивают с щелочным компонентом, смесь гранулируют на грануляторе (пресс-гранулятор, тарельчатый, лопастной или любой другой тип гранулятора). Готовые гранулы сушат в диапазоне температур 50-300°C. Сухие гранулы помещают в смеситель барабанного типа или в любой другой смеситель, туда же подают клеящий раствор в соотношении, предусмотренном предложенным изобретением: 0,05-0,15. После увлажнения гранулы опудривают порошком кремнеземсодержащего сырья при постоянном перемешивании гранул для равномерного налипания на них слоя порошка. Подготовленную гранулированную шихту с нанесенным клеящим слоем засыпают в прессовочную форму, в которой вибрацией, давлением или любым другим способом уплотняют шихту до образования заготовки блока. Полученную заготовку блока освобождают от формы и сушат до воздушно-сухого состояния при температуре, при которой сохраняется целостность заготовки блока без трещин и короблений в диапазоне температур 50-300°C. После этого блок устанавливают в печь для обжига и обжигают в диапазоне температур 650-1000°C в зависимости от конкретного состава шихты. После обжига монолитный пористый блок охлаждают по общепринятым в пеностекольной практике режимам. Готовый блок при необходимости обрезают до нужных размеров.
В таблице приведены конкретные параметры изготовления блочных пористых строительных материалов без использования жаростойких металлических форм.
Кремнеземсодержащее сырье
Содержание Na<sub>2</sub>O, вводимого в состав с плавнями, масс.%
Отношение по массе
Температура
Плотность
NaOH
Сода
Поташ
Клеящий раствор/гранулы
Порошок/ гранулы
обжига, Т°C
блока, кг/м<sup>3</sup>
Цеолитсодержащий туф
12
8
0.15
0.05
700
300
Опока
6
-
14
0.1
0.03
800
350
Трепел
8
10
0.7
0.04
760
500
Цеолитсодержащий туф
2
10
0.05
0.02
1000
700
Опока
20
-
-
0.1
0.03
780
200
Обжиг блоков пористых строительных материалов без металлических форм значительно снижает себестоимость продукции и упрощает конструкцию обжиговых печей. Кроме того, изготовление пористой продукции из гранулированной шихты предотвращает запыленность печного отделения, что снижает экологическую нагрузку на производство.
Список использованных источников
1. Шилл Ф. Пеностекло. Изд-во литературы по строительству, М., 1965, 307 с.
2. Демидович Б.К. Пеностекло. Минск, Наука и техника. 1975, 248 с.
3. KR 20010061337 (А) " Method of foaned glass for light weight heat-insulating materials by direct foaming of waste glass", Kim Hong Cheol, Kim Hyeon Jung, Lee Chol Tae, On Ji Hun, МПК C0319/08, 07.07.2001.
4. Патент РФ №2225373 "Способ получения блоков пеносиликата", Кетов А.А., Пузанов И.С., Пьянков М.П., МПК C03C 11/00, опубл. 10.03.2004.
5. Патент РФ №2291125 "Шихта для получения пеностекла". Баранов Е.В., Шелковникова Т.Н., Гавриленков A.M., Матющенко И.Н., Желтухина А.А., МПК C03C 11/00, опубл.01.10.2007.
6. Патент РФ №2255060 "Способ получения пеностекла". Леонидов В.З., Дудко М.П., Зиновьев А.А., МПК C03C 11/00, C03B 19/08, опубл. 27.06.2005.
7. Патент РФ №2187473 "Способ изготовления блочного пеностекла". Суворов С.А., Шевчик А.П., Можегов B.C., Ли Чи-Тай, МПК C03B 19/08, C03C 11/00, опубл. 20.08.2002.
8. CN 1085527 (A) "Roasting technology for foamglass and its equipment", Jiaping Deng, Songxue. МПК C03B 5/16, C03C 11/00, 04.20.1994.
9. Патент РФ №2272006 "Пеностеклокристаллический материал и способ его получения". Кетов А.А., Пузанов И.С., Пьянков М.П., Саулин Д.В., МПК C03C 11/00, опубл. 20.03.2005.
10. Патент РФ №2051869 "Шихта для получения пеностекла". Казанцева Л.К., Белицкий И.А., Васильева Н.Г., Горбунов А.В., Фурсенко Б.А., МПК C03C 11/00, опубл. 10.01.1996.
11. Горлов Ю.П. Технология теплоизоляционных и акустических материалов и изделий. М.: Высшая школа, 1989, с.197-2007.
12. А.с. СССР №1089069 "Шихта для получения пеностекла". Саакян Э.Р. МКИ C03C 11/00, опубл. 30.04.84.
13. Патент РФ №2164898 "Состав для получения пеностекла". Дамдинова Д.Р., Цыремпилов А.Д., Константинова К.К., МПК C03C 11/00, опубл. 04.10. 2001.
14. Патент РФ №2154618 "Способ изготовления теплоизоляционного материала на основе кремнистых пород". Капустин Ф.Л., Уфимцев В.М., Фурман В.В., Писцов А.А., МПК C04B 28/26, C04B 38/00, опубл. 20.08.2000.
15. Патент РФ №2323191 "Способ изготовления теплоизоляционного материала". Общество с ограниченной ответственностью "ЭКТ". МПК C04B 28/26, C04B 40/00, опубл. 27.04.2008.
16. Патент РФ №2300506 "Строительный материал и способ его получения". Меркин Н.А., Писарев Б.В., Фащевский А.Б., МПК С04В 28/24, C04B 111/20, C04B 111/40, опубл. 10.06.2007 - прототип.
17. Патент РФ №2363685 "Способ получения строительного материала" Дюкова Э.Ю., Иванов С.В., Борисеев А.В., Кузнецов В.А., МПК C04B 38/02, опубл. 10.09.2009.
18. JP 5004879 "Composition for inorganic foam". МПК C04B 14/10, C04B 28/26, C04B 38/02, F16L 59/00, 02.25.1991.
19. Патент РФ №2443645 "Шихта для изготовления пеностекла с радиационно-защитными свойствами". Казанцева Л.К., МПК C03C 11/00, опубл. 27.02.2012.
20. Патент РФ №2443644 "Способ изготовления армированного пеностекла". Казанцева Л.К., МПК C03C 11/00, опубл.27.02.2012.
21. Патент на полезную модель №117427 "Пеностекло". Казанцева Л.К., Юсупов Т.С., Железнов Д.В., Коновалова Н.А., МПК C03C 11/00, опубл. 27.06.2012.
22. Патент РФ №2405743 "Сырьевая смесь для получения пеносиликатного материала и способ изготовления пеносиликатного материала (варианты)". Казанцева Л.К., Овчаренко Г.И., МПК C03C 11/00, опубл. 10.12.2010.
23. Патент РФ №2451644 "Способ получения конструкционно-теплоизоляционного пеностекла". Корсаков А.П., Корсаков П.А., Корсаков А.А., Земсков А.В., Чумаков И.Р., Метлюшкина Е.С., МПК С03С 11/00, C03B 19/08, опубл. 27.05.2012.