СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR PRODUCTION OF CONSTRUCTION MATERIAL

Изобретение относится к производству строительных материалов из кремнистого сырья - трепела, диатомита, опоки, таких как теплоизоляционные, конструкционно-теплоизоляционные.
Известен способ получения строительного материала из кремнеземсодержащего компонента - трепела, диатомита, опоки, щелочного компонента - гидроксида натрия, цинкосодержащей добавки - оксида цинка, сульфата цинка или хлорида цинка и воды путем их перемешивания до получения гомогенной массы, которой заполняют формы, нагрева ее до 350-400°С со вспучиванием массы, последующего остывания и извлечения из форм готового материала (патент РФ №2053984, С04В 38/02, 1996 г.).
Наиболее близким к изобретению является способ получения строительного материала, включающий смешение кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,40 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 5,3 с получением гомогенной силикатной массы, заполнение ею формы и нагрев до температуры вспучивания силикатной массы с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из формы готового строительного материала, в котором полученную силикатную массу подвергают перед заполнением формы температурному воздействию до остаточной влажности менее 5 мас.%, измельчению до размера частиц не более 100 мкм, обеспечивающего при вспучивании размер пор менее 3 мм, после заполнения формы - нагреву до 600°С с частичной дегидратацией указанной массы, затем нагреву до температуры вспучивания, находящейся в интервале от 650 до 900°С, а остыванию - с постепенным снижением температуры 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 (патент РФ №2300506, С04В 28/24, 2007). Недостатками известного способа являются недостаточная прочность получаемого строительного материала, низкие показатели по водопоглощению и теплопроводности. Кроме того, получение материала по известному способу подразумевает значительные затраты тепловой энергии.
Целью изобретения является создание материала с улучшенными (по сравнению с прототипом) физическими свойствами, а именно: повышением прочности, снижением водопоглощения и теплопроводности, а также снижение энергозатрат при получении материала.
Указанная цель достигается тем, что способ получения строительного материала, включающий обработку в смесителе кремнеземсодержащего компонента - трепела, диатомита или опоки, щелочного компонента - гидроксида натрия или калия и воды при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,40 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 5,3 с получением гомогенной силикатной массы, заполнение ею формы, нагрев с обезвоживанием и вспучиванием силикатной массы с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из формы готового строительного материала, предусматривает, что в смеситель дополнительно вводят, мас.% от кремнеземсодержащего компонента: 0,05-0,1 сульфата натрия или калия и 0,4-0,75 алкилсульфатного пенообразователя, осуществляют нагрев по режиму: при 60-90°С в течение 2-4 час с обезвоживанием до 8-10%, подъем температуры до 600°С со скоростью не более 300°С в час, затем - до 750°С со скоростью не более 50°С в час, обжиг в течение 1 час при 750-780°С со вспучиванием до увеличения объема материала в 5-6 раз, а остывание - естественное до 650°С с выдержкой при 650°С в течение 0,5-1 час, затем - до температуры окружающей среды.
Используют следующие материалы.
3
3
2
В качестве кремнеземсодержащего компонента - диатомиты, опоки, трепелы - аморфный кремнезем с обычной рентгенофазовой разновидностью опал-кристобалита от 60 до 80%. Эти пористые породы имеют алевритопелитовую структуру с объемной массой около 1000 кг/м и насыпной объемной массой 586 кг/м с пределом прочности при сжатии 75-100 кг/см. При термической обработке данных пород их структура претерпевает значительные изменения, формируется новая - витрофировая, витропорфировая и кристаллитовая структура.
В заявленном способе используют породу по ТУ 2163-001-00345068-2001 Природные Хатынецкие цеолиты (высушенный материал с крупностью не более 300 мкм).
Химико-минералогический состав, %
SiO<sub>2</sub> (аморфный кремнезем)
30-98
SiO<sub>2</sub> (кварц)
до 25
Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
до 20
Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
до 10
CaO
до 30
MgO
до 6
SO<sub>3</sub>
0.14
ППП
14
Na<sub>2</sub>O+K<sub>2</sub>O
до 3
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>+Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
до 20
CaO+MgO
до 5
Минеральный состав в % от массы:
Клиноптилолит
40-45
Монтмориллонит
10-20
Кварц
15-20
Гидрослюда
8-10
Кристобалит+аморфная фаза
25-35
Кальцит
2-8
Естественная влажность от 46% и более
Пористость 65-70%
Ионообменная емкость 1.0 мг - экв/г
В качестве щелочного компонента используют гидроксид натрия или гидроксид калия. При этом щелочной компонент вводится в форме водного раствора 8-40%-ной концентрации. Рекомендуется использовать промышленно выпускаемые растворы.
В качестве сульфатов щелочных металлов используют сульфат натрия или сульфат калия.
Пенообразователь - Алкилсульфаты - натрий алкилсульфаты на основе первичных жирных спиртов или жирных спиртов, например по ТУ 2484-007-11084661-2003. В качестве воды используют водопроводную воду или воду, предназначенную для приготовления строительных растворов.
2
Для представления, какими свойствами будет обладать вновь созданный материал, необходимо знать, какими минералами представлен SiO (опалом, кристобалитом, халцедоном, кварцем или находится в соединениях), как будет спекаться порода и что можно из нее получить. Анализ процессов спекания используемых пород и исследования фазового состава полученных термолитов свидетельствуют о том, что получаемые материалы являются стеклокерамическими, где в фазовом составе преобладает силикатное стекло с примесью искусственных материалов, имеющихся в ряде керамических изделий. При этом существует закономерность спекаемости кремнистых пород, обусловленная количеством примесей разных минералов в опале. По мере их увеличения снижается температура плавления, изменяются температурные интервалы обжига, повышается спекаемость порошков.
Несмотря на то, что способы получения этих строительных материалов хорошо изучены и известны, широкого распространения они не получили, хотя запасы этого сырья на территории РФ и в мире занимают до 60%, из-за сложности предлагаемых технологий, невозможности регулирования процессов вспенивания и спекания материалов.
Возможно регулировать процессы образования мелкопористой структуры и получать материал с заведомо заданными свойствами.
Параметры мелкопористой структуры определяются по экспериментальной изотерме стандартного порообразователя, который, например, для алкилсульфата описывается уравнением
где
a - равновесное количество адсорбированного вещества при давлении Р моль/кг,
01
3
W - предельные объемы адсорбционного пространства для определенного вида микропор, соответственно м/кг,
m
3
V - молярный объем бензола (0,088см/моль при 293К),
1
B - структурная константа, характеризующая размеры микропор всех видов,
Т - температура опыта,
s
P - давление насыщенного пара,
Р - равновесное давление бензола.
0
01
1
Для нахождения констант W и В уравнение представляют в линейной форме и строят по экспериментальным данным график зависимости. Для указанной формулы W=0,350 мкм, B=0,1867. При адсорбции веществ с крупными молекулами, а также частиц с коллоидной степенью дисперсности, для которых микропоры являются практически непроницаемыми, основное значение приобретают мезопоры. Макропоры во всех случаях играют роль транспортных каналов.
Таким образом, можно прогнозировать и задавать параметры структуры получаемого конечного продукта.
Добываемое сырье естественной влажности не подсушивается и не размалывается, а распускается в смесителе - пропеллерной мешалке вводно-щелочным раствором гироксида натрия - NaOH или гидроксида калия - КОН (8-40% концентрации) с добавкой алкилсульфатного пенообразующего состава через пеногенерирующее устройство, а также добавляется сульфат щелочного металла - натрия или калия, что также в конечном продукте обеспечивает увеличение коэффициента вспучивания глинистого сырья.
Подготовленной сметанообразной кремнисто-пенощелочной массой заполняют формы и подвергают ее термической обработке в указанном диапазоне температур с увеличением объема обжигаемой шихты в пять-шесть раз. Фиксация материала и переход стеклофазового режима осуществляется снижением температуры от исходной температуры спекания и вспенивания материала по указанному режиму. Этим достигается стабилизация полученного материала. Сметанообразная кремнисто-пенощелочная масса разливается в емкости и в течение 2-4 часов просушивается при t =60-90°С, в сушильных камерах при атмосферном давлении. Данная операция позволяет усреднить химико-минералогический состав подготовленной шихты, обеспечить взаимодействие всех компонентов для равномерного спекания по всему объему. Добавлением к водно-щелочному составу алкилсульфатов в виде пенообразователя решаются задачи по уменьшению себестоимости конечной продукции - при прогреве шихты при t =60-90°С в течение от 2 до 4 часов она интенсивно обезвоживается до 8-10%, что позволяет исключить операцию размола шихты - она рассыпается в руках, становится рыхлой с размером частиц не более 300 мкм.
Пример
В качестве кремнеземсодержащего компонента используют диатомит.
В качестве щелочного компонента - водный раствор едкого натра концентрации 46%. Вода водопроводная.
Для приготовления смеси едкий натр взят в количестве 0,4 по отношению к диатомиту. Отношение суммарного содержания диатомита и едкого натра к содержанию воды составило 1,2. В этом количестве воды учтена вода, входящая в раствор едкого натра, пены, а также вода, составляющая естественную влажность породы.
3
2
2
сж
раст
Указанные компоненты с добавкой сульфата натрия в количестве 0,1 мас.% от массы диатомита с помощью смесителя перемешали, после щелочения сырья ввели пену. Пену получали из 100 л воды и 3-5 л пеноконцентрата алкилсульфата. Пену вводят из расчета 60 л указанного раствора на 400 кг кремнеземсодержащего компонента. Для данного примера - 0,4 мас.% от массы диатомита. Затем полученную гомогенную смесь разлили в формы. Далее осуществляют нагрев по режиму: при 75°С в течение 3 час с обезвоживанием до 9%, поднимают температуру до 600°С со скоростью 250°С в час, затем - до 750°С со скоростью 50°С в час, проводят обжиг в течение 1 час при 760°С со вспучиванием до увеличения объема материала в 5 раз, затем проводят остывание - естественное до 650°С, выдерживают при 650°С в течение 1 часа, а затем - естественное остывание до температуры окружающей среды. Извлекают полученный материал из форм, проводят испытания. Материал имеет: объемный вес 120 кг/м, прочностные характеристики - R 16 кг/см, R 1,1 кг/см, теплопроводность 0,09 Вт/м°С, водопоглощение 8%.
Полученный строительный материал относится к теплоизоляционным строительным материалам. Материал может эффективно использоваться для теплоизоляции различных конструкций зданий и сооружений, промышленных установок, аппаратуры, холодильников, трубопроводов, транспортных средств.
3
Заявленное решение может быть использовано при промышленном производстве строительных материалов из широко распространенного кремнистого сырья при производстве высокопрочного теплоизоляционного материала типа стеклокерама. Заявленный материал обладает повышенными прочностными характеристиками - до 100 циклов теплосмен, водопоглощение 5-10%. Объемный вес - до 150 кг/м, теплопроводность - 0,08-0,1 Вт/м°С.
Как следует из представленных материалов, заявленный способ требует низких затрат энергии (не является энергоемким) и обеспечивает получение материала с улучшенными физическими свойствами: повышение прочности - порядка 10%, снижение водопоглощения на величину от 2 до 5% и снижение теплопроводности - до 13%, что обеспечивается, в частности, путем изменения пористости материала и более равномерного распределения пор по объему материала, возможности регулирования размеров пор по всему объему материала путем введения алкилсульфатного пенообразователя. Кроме того, появляется реальная возможность прогнозирования создания материала с заданным диапазоном физических свойств - прочности, водопоглощения и теплоизоляционных свойств.