Исследование процессов получения зернистого теплоизоляционного материала на основе высокомодульной жидкостекольной композиции из микрокремнезема

Вестник ТГАСУ № 1, 2008

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 666.9.043.2

А. И. КУДЯКОВ, докт. техн. наук, профессор,

Н.А. СВЕРГУНОВА, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЗЕРНИСТОГО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОМОДУЛЬНОЙ ЖИДКОСТЕКОЛЬНОЙ КОМПОЗИЦИИ ИЗ МИКРОКРЕМНЕЗЕМА

Приведены результаты исследований зернистого теплоизоляционного материала, полученного путем вспучивания гранул из жидкостекольной композиции на основе микрокремнезема и щелочного водного раствора. Получен материал со средней плотностью 70-120 кг/м3 и теплопроводностью 0,06-0,07 Вт /

В производстве строительных материалов потребляется значительное количество природных минеральных ресурсов, на переработку которых требуется большое количество энергоресурсов. В связи с постоянным повышением стоимости энергоресурсов актуальным является снижение энергозатрат как в производстве эффективных строительных материалов, так и при эксплуатации зданий. Уменьшение теплопотерь в зданиях обеспечивается за счет использования новых эффективных, в том числе и зернистых, теплоизоляционных материалов на основе отходов промышленности. Использование отходов промышленности позволяет расширить сырьевую базу для производства новых теплоизоляционных строительных материалов и решить проблемы экологической безопасности.

Распространенность сырьевой базы, простота технологии производства, незначительные капиталовложения и энергозатраты способствуют высокой экономической эффективности производства зернистых теплоизоляционных материалов на основе вспученного жидкого стекла. Технология получения пористых стекловидных материалов из гидратированного растворимого стекла путем его нагревания изучена и не представляет особых трудностей [1]. Такие материалы при очень высокой пористости имеют низкую плотность, малую теплопроводность и водостойкость.

Для повышения водостойкости и прочности гранул на основе жидкого стекла вводят химические добавки, что приводит к усложнению технологии

© А.И. Кудяков, Н.А. Свергунова, 2008

его производства и удорожанию продукции. Водостойкость и другие эксплуатационные характеристики зернистого теплоизоляционного материала на основе жидкостекольной композиции можно повысить путем увеличения ее силикатного модуля.

В г. Братске сконцентрировано значительное количество промышленных комплексов, в ходе производственной деятельности которых образуются многотоннажные отходы. Среди большого разнообразия промышленных отходов особого внимания заслуживает микрокремнезем - отход производства кристаллического кремния ООО «Братский завод ферросплавов», выход которого составляет 14-18 тыс. т/год.

Научными разработками кафедры строительных материалов и технологий Братского государственного университета и Томского государственного архитектурно-строительного университета установлена возможность получения жидкого стекла из микрокремнезема «мокрым способом». Ценным свойством микрокремнезема является его высокая дисперсность, достигающая 2000 м2/кг, что предопределяет его повышенную реакционную способность при взаимодействии со щелочными растворами и возможность получения жидкого стекла в одну стадию, что существенно уменьшает энергозатраты в производстве.

В данной работе приведены результаты исследований процесса изготовления зернистого теплоизоляционного материала на основе высокомодульной жидкостекольной композиции из микрокремнезема.

Целью работы является определение технологических параметров для получения зернистого теплоизоляционного материала.

При этом решались следующие задачи:

- исследование влияния состава высокомодульной жидкостекольной композиции и технологии получения на свойства зернистого теплоизоляционного материала;

- исследование влияния режимов тепловой обработки отформованных гранул на свойства теплоизоляционного материала;

- проведение физико-химических исследований и установление механизма структурообразования гранул на основе высокомодульной жидкостекольной композиции из микрокремнезема.

Химический состав микрокремнезема представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав микрокремнезема

SiO2 Fe2Oз MgO ^3 CaO Примеси

90,1 0,56 1,02 0,39 0,38 0,75 0,37 4,87

Технология приготовления зернистого теплоизоляционного материала включает следующие операции: приготовление жидкостекольной композиции, тепловую обработку полученной смеси в реакторе при температуре 95 °С, формование гранул из смеси и тепловую обработку (вспучивание).

Для установления состава жидкостекольной композиции проводились исследования по влиянию на физико-механические характеристики гранул, силикатного модуля, изменяющегося в интервале от 3 до 5. Анализ результатов показал, что с увеличением силикатного модуля повышается прочность материала, что обусловлено снижением содержания щелочи в составе композиции. Минимальные значения водопоглощения и водонасыщения гранул установлены при использовании жидкостекольной композиции с силикатным модулем 5, что свидетельствует об образовании водостойких новообразований.

Общая пористость гранул на основе жидкостекольных композиций с различными силикатными модулями находится в пределах 86,6-93,4 %. При увеличении силикатного модуля композиции уменьшается величина открытой пористости с 22,46 до 7,23 %, что обеспечивает улучшение эксплуатационных свойств материала. При оценке качества материала учитывались не только абсолютные значения полученной пористости гранул, но и форма и вид пор. На рис. 1 показана микроструктура гранул, полученных на основе жидкостекольных композиций с различным силикатным модулем. У гранул, полученных на основе композиций с силикатными модулями 3 и 4, наблюдаются сплющенные поры неправильной формы большого диаметра до 7 мм, образовавшиеся в результате слияния мелких пор. В полученных гранулах на основе высокомодульной жидкостекольной композиции с силикатным модулем 5 поры имеют четкую структуру с наличием замкнутых и частично сообщающихся пор разного диаметра от 0,5 до 2 мм.

Силикатный модуль 3

Силикатный модуль 4

Г

Силикатный модуль 5

Рис. 1. Микроструктура зернистого теплоизоляционного материала с различным силикатным модулем

С увеличением плотности жидкостекольной композиции с 1,3 до 1,4 г/см3 наблюдается тенденция повышения водостойкости гранул.

В процессе исследований установили, что физико-механические свойства теплоизоляционного материала в значительной мере зависят от технологических параметров получения высокомодульной жидкостекольной композиции.

Для изучения влияния концентрации щелочного раствора жидкостекольной композиции на свойства зернистого теплоизоляционного материала использовалась высокомодульная жидкостекольная композиция с силикатным модулем 5 и плотностью 1,4 г/см3.

Результаты исследований показали (табл. 2), что с увеличением концентрации щелочного раствора жидкостекольной композиции от 16,8 до 18,2 % насыпная плотность гранул повысилась, коэффициент вспучивания и общая пористость снизились. Наибольшие значения коэффициента вспучивания наблюдались при щелочности раствора жидкостекольной композиции в интервале 16,82-17,43 %, что и было принято оптимальным для дальнейших исследований. В выбранном интервале щелочности раствора жидкостекольной композиции обеспечивалось получение зернистого теплоизоляционного материала с насыпной плотностью от 100,0 до 108,5 кг/м3 и общей пористостью от 87,1 до 89,1 %.

Таблица 2

Свойства гранул на основе высокомодульной жидкостекольной композиции с различной щелочностью

Свойства материала Концентрация щелочного раствора / Ж/Т

16,82/ 0,94 16,97/ 0,93 17,12/ 0,92 17,27/ 0,91 17,43/ 0,9 17,60/ 0,89 17,76/ 0,88 17,93/ 0,87 18,10/ 0,86 18,27/ 0,85

Насыпная плотность, кг/м3 100,0 102,0 105,3 106,7 108,5 2, о" 116,4 117,0 116,7 2, 00*

Общая пористость, % С*" 8 88,5 88,0 ,9 К* 8 К* 8 86,9 86,6 8 ,6 1/^ 8 ,0 К* 8

Коэффициент вспучивания 3,30 8 3, 7 3, 3,25 5 3, 3,19 3,16 і>

Исследованиями установлено, что с повышением силикатного модуля жидкостекольной композиции с 3 до 5 снижается требуемая продолжительность тепловой обработки жидкостекольной композиции с 20 до 10 мин. При сокращении длительности тепловой обработки жидкостекольной композиции наблюдается неполное взаимодействие микрокремнезема с щелочью, что способствует созданию равномерно распределенных центров кристаллизации и повышению скорости структурообразования и прочности гранул на сжатие. Снижению времени тепловой обработки высокомодульной жидкостекольной композиции способствовало изменение соотношения твердой и жидкой фаз в сторону повышения доли микрокремнезема в суспензии.

С целью оптимизации состава зернистого теплоизоляционного материала при проведении исследований использовался метод математического планирования эксперимента. В качестве варьируемых факторов рассматривались Ж/Т отношение и температура тепловой обработки получаемых гранул. В качестве результативных факторов рассматривались пористость, плотность, водопогло-щение по объему и коэффициент вспучивания гранул. Анализ математических

моделей позволил провести комплексную оценку свойств гранул теплоизоляционного материала. Было установлено, что благоприятной совокупностью свойств (Побщ = 90,7 %, рнас = 100 кг/м3, Wa6 = 6,87 %, Квсп = 3,4) характеризовался материал, полученный при Ж/Т отношении исходной жидкостекольной композиции 0,94 и при температуре термообработки гранул 400 °С.

Процессы, происходящие в период структурообразования и нарастания прочности, оказывают существенное влияние на свойства теплоизоляционного материала. Авторами предложено в технологии получения теплоизоляционного зернистого материала подвергать гранулы тепловой обработке не сразу после формования, а после некоторой выдержки в естественных условиях.

Для предотвращения слипания гранул при хранении и транспортировании было предложено обсыпать их дисперсным материалом на стадии формования (грануляции) и подсушивать их при невысоких температурах до образования корочки. При этом наблюдалось увеличение насыпной плотности теплоизоляционного материала.

Для повышения качества зернистых теплоизоляционных материалов во время тепловой обработки нами использовался предложенный С.П. Онацким

[2] двухступенчатый режим термообработки с подогревом сырцовых гранул и последующим быстрым их нагревом до температуры вспучивания.

С использованием планирования эксперимента были изучены различные режимы подогрева гранул

[3]. Сравнительный анализ двухступенчатого способа термообработки материала (100 °С в течение 10 мин, затем 400 °С в течение 10 мин) и традиционного (400 °С - 20 мин) показал, что при двухступенчатой тепловой обработке гранул повышается их коэффициент вспучивания до 3,7, уменьшается водо-поглощение по объему до 6,78 % (при общей пористости 90,5 %) и увеличиваются прочностные характеристики материала до 0,8 МПа.

В табл. 3 представлены показатели качества различных фракций зернистого теплоизоляционного материала на основе высокомодульной жидкостекольной композиции из микрокремнезема.

Таблица 3

Показатели качества зернистого теплоизоляционного материала

Наименование показателя Диаметр гранул, мм

5-10 10-20 20-40

Насыпная плотность, кг/м3 100-120 80-100 70-80

Водопоглощение по объему, %, не более 7 7 7

Прочность при сжатии, МПа 1,0 0,8 0,5

Проведенные физико-химических исследования зернистого теплоизоляционного материала на основе высокомодульной жидкостекольной компо-

зиции из микрокремнезема позволили объяснить механизм его структурооб-разования.

Рентгенофазовые исследования зернистого теплоизоляционного материала и исходных компонентов жидкостекольной композиции позволили сделать вывод об увеличении кристаллической составляющей при твердении материала. Большинство продуктов, образующихся в составе материала, представлены аморфной фазой, а кристаллическая фаза - кварцем. Тепловая обработка гранул при температуре 400 °С позволила интенсифицировать процесс образования кристаллической фазы с образованием кристобалита и кварца.

Дифференциально-термические исследования теплоизоляционного материала позволили установить эндотермические эффекты в области температур от 70 до 150 °С, что соответствует удалению кристаллической воды из основного минерала гранул - гидросиликатов натрия. Процесс удаления воды происходит ступенчато, что объясняет наличие в материале гидросиликатов натрия с различным количеством связанной воды.

Анализ ИК-спектров твердеющего материала показал смещение полосы поглощения с 500 до 1750 см-1. В ИК-спектре материала отмечается очень сильная полоса поглощения в области 1096 см-1 (колебания силоксановой связи 81-0), которая смещается в область низких частот 1085 см1. Очевидно, при твердении вспученного зернистого материала на основе высокомодульной жидкостекольной композиции имеет место образование полимерных соединений линейной структуры, что способствует повышению водостойкости и прочности гранул.

С использованием полученных результатов исследований разработаны технические условия (ТУ 5712-018-02069295-2003) на зернистый теплоизоляционный материал из высокомодульной жидкостекольной композиции из микрокремнезема и технологический регламент на его производство.

Промышленная апробация разработанного материала подтвердила достоверность полученных научных результатов и рекомендации по получению зернистого теплоизоляционного материала на основе высокомодульной жидкостекольной композиции из микрокремнезема, а также возможность его использования в качестве сыпучего материала для ограждающих конструкций зданий и сооружений в соответствии с разработанными техническими условиями.

Технико-экономическая эффективность использования зернистого теплоизоляционного материала показана в табл. 4.

Технико-экономический эффект достигается за счет:

- использования микрокремнезема в качестве основного сырья;

- применения энергосберегающей технологии изготовления зернистого теплоизоляционного материала.

Полученные данные показали, что при использовании высокомодульной жидкостекольной композиции в производстве зернистого теплоизоляционного материала в два раза снизилась концентрация щелочного раствора, что позволило уменьшить расход дефицитного и дорогостоящего едкого натра, а также увеличилась доля микрокремнезема в суспензии. В 1,5 раза уменьшилось время варки жидкостекольной композиции.

Таблица 4

Характеристики материалов Зернистый теплоизоляционный материал на основе высокомодульной жидкостекольной композиции Бисипор,силипор Вермикулит Керамзитовый гравий

Прочность, МПа 0,1-0,5 0,1-0,4 0,1-0,3 0,3-0,6

Плотность, кг/м3 70-120 40-200 80-300 200-1000

Водопоглощение по объему, % 7 18-60 90 24-45

Теплопроводность, Вт/(м °С) 0,059-0,07 0,028-0,065 0,07-0,1 0,09-0,1

Температура вспучивания, °С 400 400-600 700-800 600-1200

Область применения Сыпучий теплоизоляционный материал для ограждающих конструкций зданий Теплоизоляционные засыпки для изготовления теплоизоляционных материалов Теплоизоляционные засыпки в конструкциях, заполнитель для бетонов Теплоизоляционные засыпки в строительной конструкции, заполнитель для бетона

136_А.М. Кудяков, Н.А. Свергунова

Вестник ТГАСУ № 1, 2008

137

Стоимость материальных ресурсов, необходимых на производство 1 м3 зернистого теплоизоляционного материала с плотностью 100 кг/м3, составила 446 р.

Библиографический список

1. Корнеев, В.И. Производство и применение растворимого стекла: жидкое стекло / В.И. Корнеев, В.В. Данилов. - Л. : Стройиздат, Ленинградское отделение, 1991. - 176 с.

2. Онацкий, С.П. Производство керамзита / С.П. Онацкий. - М., 1987. - 290 с.

3. Кудяков, А.И. Зернистый пористый материал из микрокремнезема / А.И. Кудяков, Н.А. Свергунова // Строительные материалы. - 2006. - № 6. - С. 86.

A.I. KUDYAKOV, N.A. SVERGUNOVA

The research of production processes of granular heat-insulating material on the basis of high-modules liquid glass compositions from micro-silica.

The results of the researches of granular heat-insulating material produced by foaming of granules from liquid glass compositions based on micro-silica and an alkaline water solution are presented. The material with average density of 70-120 kg/m3 and heat conductivity of 0,060,07 Watt/m°C was received.

УДК 674.817-41

М.А. КАЛАШНИКОВА, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НИЗИННЫХ ТОРФОВ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ В ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ

В статье представлены сведения по получению теплоизоляционных торфодревесных материалов, возможности регулирования их свойств и области применения.

Одной из важных задач в современном строительстве является решение проблем энергосбережения в строящихся и реконструируемых зданиях различного назначения, в том числе снижение теплопотерь в ограждающих стеновых конструкциях. Поэтому разработка составов и технологий производства современных конкурентоспособных теплоизоляционных материалов является актуальной проблемой.

Основным видом применяемых в строительстве зданий теплоизоляционных материалов являются минераловатные изделия (более 65 %), что объясняется высокими физико-механическими характеристиками этих материалов. На стекловолокнистые материалы приходится около 8 % общего потребления, 20 % - на поропласты, доля теплоизоляционных ячеистых бетонов в общем объеме производимых утеплителей не превышает 3 %, на остальные виды утеплителей приходится 4 %.

Многие крупные регионы не имеют своего производства теплоизоляционных материалов или производят утеплители в явно недостаточном количе-

© М.А. Калашникова, 2008