Зернистый теплоизоляционный материал на основе модифицированной жидкостекольной композиции
На правах рукописи
Иванов Михаил Юрьевич
ЗЕРНИСТЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ
ЖИДКОСТЕКОЛЬНОЙ КОМПОЗИЦИИ
Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск – 2007
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Братский государственный университет».
| Научный руководитель | доктор технических наук, профессор Кудяков Александр Иванович |
| Официальные оппоненты | доктор технических наук, профессор Верещагин Владимир Иванович кандидат технических наук, главный технолог ООО «Технострой» Абакумов Александр Евгеньевич |
| Ведущая организация | ГОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет» |
Защита состоится 2 ноября 2007 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 в ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, ГОУ ВПО «ТГАСУ», корп. 5, ауд. 307.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «ТГАСУ».
Автореферат разослан 1 октября 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Скрипникова Н.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы:
Реализация стратегической задачи развития стройиндустрии России – снижение энергозатрат при производстве материалов и их эксплуатации в зданиях, предопределяет необходимость создания современных эффективных строительных материалов.
Значительная роль отводится разработке теплоизоляционных материалов, удовлетворяющих требованиям СНиП 23-02-2003 и СП 23-101-2000.
В настоящее время основной объем утеплителей на российском строительном рынке составляют импортные материалы, не всегда удовлетворяющие предъявляемым к ним требованиям по санитарно-гигиеническим параметрам и долговечности.
Анализ показателей качества современных утеплителей показал перспективность использования зернистых теплоизоляционных материалов. Зернистые утеплители на основе минерального сырья отличаются экологической и пожарной безопасностью, а особенности их поровой структуры обусловливают стабильность свойств при длительной эксплуатации в климатических условиях Сибири.
В некоторых районах Сибири с неблагоприятной экологической обстановкой на крупных промышленных предприятиях при осуществлении процессов изготовления продукции образуются многотоннажные отходы, свойства и химический состав которых позволяют использовать их в качестве готовых сырьевых компонентов для производства зернистых строительных материалов.
Разработка малоэнергоемких технологий производства зернистых теплоизоляционных материалов с низкими средней плотностью и теплопроводностью на основе местного техногенного сырья является актуальной.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной темы НИОКР 67.15.55 в соответствии с научным направлением «Разработка строительных материалов с заданными свойствами и технологий их изготовления путем комплексного использования местных сырьевых ресурсов».
Объект исследований: зернистый теплоизоляционный материал на основе модифицированной жидкостекольной композиции.
Предмет исследований: изучение составов, свойств и технологических процессов получения зернистого теплоизоляционного материала на основе модифицированной жидкостекольной композиции.
Целью диссертационной работы является разработка зернистого теплоизоляционного материала на основе модифицированной жидкостекольной композиции из микрокремнезема, гидроксида натрия, воды, алюмосиликатных добавок, попутных продуктов производства целлюлозы и технологии его получения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- разработка физической модели зернистого теплоизоляционного материала на основе модифицированной жидкостекольной композиции с низкой теплопроводностью, повышенными пористостью и прочностью зерен;
- научное обоснование выбора сырьевых компонентов для получения модифицированной жидкостекольной композиции и зернистого теплоизоляционного материала на ее основе;
- разработка составов, методики расчета сырьевой смеси и способов получения модифицированной жидкостекольной композиции с поризованной структурой для получения зернистого теплоизоляционного материала;
- физико-химические исследования процессов структурообразования модифицированной жидкостекольной композиции при получении зернистых теплоизоляционных материалов;
- установление закономерностей формирования пор и строительно-эксплуатационных свойств зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции;
- разработка технологии производства и проведение опытно-промышленных испытаний зернистых теплоизоляционных материалов;
- разработка технических условий и рекомендаций по производству зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции.
Методы исследований:
В работе использовались стандартные методы испытаний и методики исследований материалов: математическое планирование эксперимента, статистические методы обработки и анализа результатов, физико-химические методы исследований.
Научная новизна:
- при введении в жидкостекольные композиции до 20 масс. % добавок глиежа и золы-уноса с удельной поверхностью 270 и 410 м2/кг, соответственно, при термообработке 400 С увеличивается содержание кристаллической фазы в межпоровых перегородках, что способствует повышению прочности зерен теплоизоляционного материала на 38,8-43,3 % при сохранении пористости;
- максимальная пористость зернистого теплоизоляционного материала на основе модифицированной жидкостекольной композиции достигается при формировании структуры из пор различных размеров (уровней) с соотношением диаметров пор 1 : 4 и более исходя из принципов плотной упаковки, что позволило разработать совокупность технологических приемов образования дифференциальной пористости: термообработка при 400 С с удалением свободной воды (1 уровень), воздухововлечение при введении ПАВ – сульфатного мыла, пека таллового и пека таллового омыленного (2 уровень), введение дисперсного компонента с микропористой структурой (3 уровень);
- при направленном формировании структуры из пор различных диаметров устанавливается равномерное их распределение по объему, что обеспечивает стабильность показателей качества зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции (коэффициент вариации показателей качества составляет 89 %).
Практическая значимость:
- разработаны составы, рекомендации по подбору рациональных составов и способ изготовления зернистого теплоизоляционного материала на основе модифицированной жидкостекольной композиции. Полученный зернистый теплоизоляционный материал характеризуется насыпной плотностью 50220 кг/м3 и теплопроводностью 0,05 0,07 Вт/(м·°С);
- разработаны технология и рекомендации по производству зернистых теплоизоляционных материалов на основе жидкостекольной композиции, апробация которых в промышленных условиях показала достоверность сделанных в работе выводов и заключений;
- на зернистый теплоизоляционный материал разработаны и зарегистрированы в Госстандарте России технические условия ТУ 5712-018-02069295-2003;
- на основе полученных научных результатов разработаны технические решения, на которые выданы патенты Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам;
- материалы научных исследований используются при чтении лекций по материаловедению и технологии теплоизоляционных материалов студентам ГОУ ВПО «БрГУ», ГОУ ВПО «ТГАСУ» и специалистам строительного комплекса.
На защиту выносятся:
- экспериментальные данные по разработке и оптимизации составов жидкостекольной композиции, способу получения на ее основе зернистых теплоизоляционных материалов;
- результаты исследований свойств жидкостекольной композиции на основе микрокремнезема, гидроксида натрия, воды, сульфатного мыла, пека таллового, пека таллового омыленного, глиежа и золы-уноса;
- результаты исследований влияния свойств модифицированной жидкостекольной композиции на показатели качества зернистых теплоизоляционных материалов;
- строительно-эксплуатационные свойства зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции;
- практические рекомендации, результаты опытно-промышленных испытаний, подтверждающие достоверность полученных научных результатов.
Достоверность результатов работы обеспечена использованием поверенных средств измерений и аттестованного испытательного оборудования, статистических методов обработки результатов, сходимостью сформулированных выводов и разработанных рекомендаций с результатами опытно-промышленных испытаний.
Апробация работы:
Основные положения и результаты научных исследований докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции Пензенской ГАСА «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г. Пенза, 2002 г.); межрегиональной научно-технической конференции Братского ГТУ «Естественные и инженерные науки – развитию регионов» (г. Братск, 2002 г.); I-IV межрегиональных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Братский ГУ» «Строительство: материалы, конструкции, технологии» (г. Братск, 20032006 гг.); II международной научно-практической конференции Белгородского ГТУ им. В.Г. Шухова «Экология: образование, наука, промышленность и здоровье» (г. Белгород, 2004 г.); международной научно-технической конференции Пензенского ГУАС «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Пенза, 2005 г.).
Публикации:
Основное содержание работы и ее результаты опубликованы в 11 печатных трудах, включая статью в журнале, входящем в перечень ВАК, и защищены 14 патентами РФ. Кроме того, по результатам исследований разработаны и зарегистрированы в Госстандарте России ТУ 5712-018-02069295-2003, разработаны методические указания «Зернистый теплоизоляционный материал на основе высокомодульного жидкого стекла из микрокремнезема» по выполнению лабораторных работ для магистрантов направления 270100.68 «Строительство» и студентов специальности 270106.65 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Диссертационная работа выполнялась с 2002 по 2007 гг.
Автор выражает благодарность к.т.н., профессору Т.Н. Радиной (ГОУ ВПО «БрГУ»), к.т.н., профессору А.А. Зиновьеву (ГОУ ВПО «БрГУ») за ценные советы и консультации при выполнении работы; сотруднику КрасГАСА И.С. Рубайло и к.т.н., доценту Г.М. Зеер (ГОУ ВПО «КГТУ») за помощь в проведении физико-химических исследований и изучении поровой структуры материалов, а также к.т.н., доценту А.Н. Хуторному (ГОУ ВПО «ТГАСУ») за помощь при определении теплопроводности материалов.
Структура и объем работы:
Диссертационная работа изложена на 165 страницах основного текста, содержит 58 рисунков, 30 таблиц; состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографии, включающей 122 источника, 7 приложений на 35 страницах. Общий объем работы 200 страниц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определена цель диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость.
В первой главе приводятся результаты анализа и технологий получения зернистых теплоизоляционных материалов на основе минерального сырья, в том числе и жидкого стекла.
Установлено, что низкая температура термообработки, возможность использования для получения жидкостекольных композиций кремнеземсодержащих техногенных отходов, высокие показатели качества определяют экономическую целесообразность и создают предпосылки для широкого применения зернистых теплоизоляционных материалов на их основе в ограждающих конструкциях зданий и сооружений.
Рассмотрены процессы вспучивания и закономерности формирования поровой структуры зернистых утеплителей на основе жидкого стекла и жидкостекольных композиций.
Работами П.Н. Григорьева, М.А. Матвеева, В.И. Корнеева, В.В. Данилова Б.В. Генералова, А.И. Кудякова, Т.Н. Радиной, Н.А. Свергуновой установлено, что вспучивание жидкостекольных материалов происходит за счет удаления свободной и связанной воды при достижении жидким стеклом пиропластического состояния в температурном интервале 120350 С.
Представленные закономерности структурообразования и механизм взаимодействия с модифицирующими добавками справедливы для материалов на основе жидкого стекла, полученного автоклавным растворением силикат-глыбы.
Наличие в Братском регионе большого количества многотоннажных силикатных и алюмосиликатных промышленных отходов с удовлетворительными физико-механическими свойствами и химическим составом позволяют использовать их для получения зернистых теплоизоляционных материалов.
Сотрудниками кафедры строительного материаловедения и технологий ГОУ ВПО «Братский государственный университет» ранее установлена возможность получения гранулированного утеплителя на основе жидкостекольной композиции из микрокремнезема (отхода производства кристаллического кремния на ОАО «Братский завод ферросплавов») и высокая технологичность процесса.
При этом структура зернистого материала представлена, преимущественно, крупными порами. Этим объясняется высокая пористость и низкая плотность, прочность, водо- и морозостойкость полученных гранул.
Параметры качества зернистых теплоизоляционных материалов определяются особенностями их поровой структуры.
Для управления пористостью и, соответственно, комплексом показателей качества зернистого утеплителя предложен ряд модифицирующих добавок природного и техногенного характера.
На основании результатов проведенного анализа выдвинута гипотеза о возможности получения зернистого теплоизоляционного материала на основе модифицированной жидкостекольной композиции из микрокремнезема, сочетающего низкие плотность и теплопроводность гранул с высокими прочностью, водо- и морозостойкостью путем использования научно-обоснованных технологических приемов формирования дифференцированной пористости.
Оптимальная поровая структура зернистых теплоизоляционных материалов может быть получена при двухуровневом размещении пор разных диаметров с соблюдением принципов плотной гексагональной упаковки и микропоризации при одновременном повышении прочности межпоровых перегородок (несущего каркаса).
Эффективным способом регулирования поровой структуры материалов является введение в жидкостекольную композицию алюмосиликатных добавок, а также промежуточных и попутных продуктов сульфатно-целлюлозной переработки древесины.
В соответствии с рабочей гипотезой сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе представлена характеристика сырьевых компонентов и описаны методы исследований.
Для получения зернистых теплоизоляционных материалов использовались следующие сырьевые компоненты:
- микрокремнезем конденсированный IV поля – отход производства кристаллического кремния. Свойства микрокремнезема: насыпная плотность 225 кг/м3, истинная плотность 2300 кг/м3, удельная поверхность 2950 м2/кг. Химический состав микрокремнезема, масс. %: SiO2 - 87,07; Al2O3 - 0,79; Fe2O3 - 0,44; CaO - 0,68; MgO - 0,78; Na2O - 0,37; K2O - 0,54; потери при прокаливании - 3,28. Всего в работе применялось 6 партий микрокремнезема конденсированного. Микрокремнезем соответствует требованиям ТУ 5743-048-02495332-96.
- глиеж Богучанского месторождения – порода осадочного происхождения, образовавшаяся в процессе пирометаморфизма углесодержащих глинистых пород при подземных пожарах. В работе глиеж использовался в порошкообразном состоянии. Свойства глиежа: насыпная плотность 1100 кг/м3, истинная плотность 2620 кг/м3, удельная поверхность 270 м2/кг. Химический состав глиежа, масс. %: SiO2 - 64,42; Al2O3, (в т.ч. акт.Al2O3) - 18,42 (3,65); Fe2O3 - 6,93; CaO - 2,21; MgO - 1,85; Na2O - 1,38; K2O - 3,39; SO3 - 0,14; потери при прокаливании - 0,56. Глиеж соответствует требованиям ОСТ 21-9-81.
- зола-уноса II поля, образующаяся при сжигании бурых углей. Свойства золы-уноса: насыпная плотность 900 кг/м3, истинная плотность 2750 кг/м3, удельная поверхность 410 м2/кг. Химический состав золы-уноса, масс. %: SiO2 - 50,13; Al2O3 - 12,51; Fe2O3 - 7,87; CaO - 22,69; MgO - 3,43; Na2O - 0,31; K2O - 0,44; SO3 - 1,01; потери при прокаливании - 1,04. Всего в работе применялось 7 партий золы-уноса II поля. Зола-уноса соответствует требованиям ГОСТ 25818-91.
- сульфатное мыло – промежуточный продукт сульфатно-целлюлозной переработки древесины. Сульфатное мыло соответствует требованиям ТУ 13-0281078-28-118-88 и характеризуется плотностью 935 кг/м3, температурой вспышки 264 С, температурой воспламенения 316 С.
- пек талловый – попутный продукт сульфатно-целлюлозной переработки древесины. Пек талловый соответствует требованиям ОСТ 13-145-82 и характеризуется плотностью 1200 кг/м3, температурой вспышки 240 С, температурой воспламенения 370 С.
- пек талловый омыленный, соответствующий требованиям ТУ 2453-003022195725-2001 и характеризующийся плотностью в куске 1300 кг/м3, температурой размягчения 55 С, температурой вспышки 270 С, температурой воспламенения 383 С.
- гидроксид натрия соответствует требованиям ГОСТ 2263-79. В работе гидроксид натрия использовался в виде водного раствора плотностью 1480 кг/м3 и концентрацией 45,22 %.
В работе для изучения и оценки свойств сырьевой смеси, параметров технологических процессов, а также показателей качества получаемых материалов использовались стандартные и нестандартные методики исследований.
Для оптимизации функциональных и строительно-эксплуатационных свойств зернистых теплоизоляционных материалов использовались методы математического планирования эксперимента.
Получение регрессионных моделей и проверка их адекватности осуществлялись с привлечением методов математической обработки данных на ЭВМ PC (использовался интегрированный статистический пакет STADIA 6.2).
В третьей главе приведены результаты исследований по изучению влияния силикатного модуля (n=35) и модифицирующих добавок на свойства и структурные изменения жидкостекольной композиции из микрокремнезема.
Жидкостекольная композиция – это высоковязкая масса (продукт гидротермальной обработки водной суспензии, включающей микрокремнезем, гидроксид натрия и добавки в установленных соотношениях), которую гранулируют и сортируют по фракциям после охлаждения до температуры 1820 °С.
По качественным характеристикам жидкостекольная композиция для получения зернистого теплоизоляционного материала отличается от традиционно используемого натриевого жидкого стекла по ГОСТ 13078-81*. Для оценки состава и свойств жидкостекольной композиции использовались значения силикатного модуля.
Выявлено, что при введении модифицирующих добавок ускоряется процесс получения жидкостекольной композиции с 10 до 6-7 мин. Тонкодисперсные активные минеральные добавки (глиеж Богучанского месторождения и зола-уноса ИТЭЦ-7) являются дополнительным источником SiO2, а промежуточные и попутные продукты сульфатно-целлюлозной переработки древесины (сульфатное мыло, пек талловый и пек талловый омыленный) способствуют снижению поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкостекольной композиции.
При введении добавок глиежа и золы-уноса (до 20 масс. %) увеличивается кинематическая вязкость и снижается поверхностное натяжение жидкостекольной композиции. Поверхностно-активные добавки сульфатного мыла, пека таллового и пека таллового омыленного (до 2 масс. %) способствуют снижению кинематической вязкости (с 3,717,7 до (2,911,5) · 10-6 м/с) и поверхностного натяжения жидкостекольной композиции (с 43,437,5 до (22,519,0) · 10-3 Н/м) при различных значениях силикатного модуля.
По причине малой продолжительности процесса получения и требуемой высокой вязкости для дальнейших исследований при получении зернистых теплоизоляционных материалов была выбрана жидкостекольная композиция с силикатным модулем 5.
Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют о том, что модифицированная жидкостекольная композиция состоит, преимущественно, из рентгеноаморфной фазы. Кристаллическая фаза присутствует в незначительном количестве и представлена -кристобалитом и -кварцем.
Установлено, что введение добавок сульфатного мыла, пека таллового и пека таллового омыленного способствует увеличению рентгеноаморфной, а добавки глиежа и золы-уноса – увеличению кристаллической фазы жидкостекольной композиции из микрокремнезема (дополнительные рефлексы -кварца).
Результаты ИК-спектроскопического анализа свидетельствуют о наличии в жидкостекольной композиции сгруппированных кремнекислородных тетраэдров [SiO4] с высокой степенью полимеризации. Введение добавок глиежа и золы-уноса способствует увеличению содержания твердой фазы в жидкостекольной композиции и большей степени полимеризации кремнекислородных анионов. ИК-спектры жидкостекольной композиции, модифицированной добавками сульфатного мыла, пека таллового и пека таллового омыленного, свидетельствуют о наличии в нем эфирных составляющих целлюлозы.
В четвертой главе представлены результаты исследований по управлению пористостью зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции из микрокремнезема.
Введение до 20 масс. % тонкодисперсных активных минеральных добавок (золы-уноса ИТЭЦ-7 и глиежа Богучанского месторождения) способствует увеличению закрытой и, соответственно, снижению открытой пористости на 18,3847 % и теплопроводности материалов на 1012 %. За счет этого уменьшается объемное водопоглощение материала, а входящие в состав глиежа и золы-уноса алюмосиликатные соединения способствуют повышению на 38,843,3 % прочности и морозостойкости зерен. Коэффициент вариации показателей качества материалов составляет 89 %. Зернистые теплоизоляционные материалы с добавками промежуточных и попутных продуктов сульфатно-целлюлозной переработки древесины (до 2 масс. % сульфатного мыла, пека таллового и пека таллового омыленного) по причине их термической деструкции при термообработке отличаются низкими насыпной плотностью (113,69135,37 кг/м3), теплопроводностью (0,040,05 Вт/(м·°С)) и высокой пористостью зерен (91,0292,5 %).
Результаты исследований зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции с силикатным модулем 5 приведены в таблице 1. На рисунках 1 и 2 представлены графические зависимости насыпной плотности и общей пористости материала от количества добавки сульфатного мыла и силикатного модуля жидкостекольной композиции.
Физико-химические исследования свидетельствуют о том, что кристаллическая фаза зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции из микрокремнезема представлена, главным образом, -кварцем и -кристобалитом. Введение добавок глиежа и золы-уноса (до 20 масс. %) способствует увеличению кристаллической фазы материалов.
Установлено, что для зернистых теплоизоляционных материалов при термообработке характерно постепенное удаление воды без разрушения силикатного каркаса. Удаление свободной и физически связанной воды происходит в интервале 130 150 С. ИК-спектры зернистых теплоизоляционных материалов свидетельствуют о наличии кремнекислородных тетраэдров [SiO4] с различной степенью полимеризации, а также кристаллизационной (химически связанной) воды.
Результаты микроскопического анализа зернистых теплоизоляционных материалов, представленные в таблице 2, свидетельствуют о том, что модифицирующие добавки сульфатного мыла и глиежа способствуют снижению среднего диаметра внутризерновых пор на 33,3339,22 %, среднего диаметра пор в межпоровых перегородках на 16,436,1 % и более равномерному их распределению по объему зерен (рисунки 3 и 4), а межпоровые перегородки близки между собой по толщине.
Таблица 1 – Свойства зернистого теплоизоляционного материала фракции 10-20 мм
| Показатели качества | Расход добавки, масс. % | ||||||
| без добавки | глиеж (10-20) | зола-уноса (10-20) | сульфатное мыло (1-2) | пек талловый (1-2) | пек талловый омыленный (1-2) | ||
| Насыпная плотность, кг/м3 | 151,32 | 180,17216,49 | 175,75205,74 | 130,18113,69 | 132,85115,82 | 135,37120,0 | |
| Средняя плотность зерен, кг/м3 | 211,96 | 253,24299,83 | 249,07294,59 | 180,41150 | 184,42158,6 | 186,43160,72 | |
| Пористость зерен - общая, % - открытая, % - закрытая, % | 89,91 8,0 81,91 | 88,5586,99 6,214,24 82,3482,75 | 88,6487,14 6,534,74 82,1182,40 | 91,2092,50 10,6712,63 80,5379,87 | 91,0792,14 10,1611,66 80,9180,48 | 91,0292,09 10,0511,42 80,9780,67 | |
| Водопоглощение зерен по объему, % | 8,0 | 6,214,24 | 6,534,74 | 10,6712,63 | 10,1611,66 | 10,0511,42 | |
| Теплопровод-ность,Вт/(м·°С) | зерен | 0,059 | 0,053 | 0,052 | 0,04 | 0,048 | 0,05 |
| фракции | 0,07 | 0,0660,079 | 0,0640,075 | 0,0470,045 | 0,0480,046 | 0,0490,047 | |
| Прочность при сжатии, МПа | 0,67 | 0,961,35 | 0,931,3 | 0,490,34 | 0,510,38 | 0,520,39 | |
| Потеря массы при испытании на морозостойкость (15 циклов),% | 5,0 | 3,82,1 | 4,02,2 | 6,98,9 | 7,38,1 | 7,18,0 | |
Рисунок 1 – Зависимость насыпной плотности зернистого
теплоизоляционного материала от расхода добавки
сульфатного мыла
Рисунок 2 – Зависимость общей пористости зернистого
теплоизоляционного материала от расхода добавки
сульфатного мыла
Таблица 2 – Характеристики поровой структуры
зернистых теплоизоляционных материалов
| Характеристики поровой структуры | Вид модифицирующей добавки (расход, % от массы микрокремнезема) | |||
| без добавки | глиеж (10) | сульфатное мыло (1) | ||
| Средний диаметр внутри-зерновых пор 1 и 2 уровней, мм | 5,1 | 3,1 | 3,4 | |
| Средний диаметр пор 3 уровня в межпоровых перегородках, мм | 0,061 | 0,039 | 0,051 | |
| Объемная доля пор, % | внутризерновых | 63,1 | 56,8 | 52,2 |
| в межпоровых перегородках | 36,9 | 43,2 | 47,8 | |
| Средняя толщина межпоровых перегородок, мм | 0,22 | 0,26 | 0,20 | |
| Характер внутренней поверхности пор | рваная | гладкая | ||
Рисунок 3 – Поровая структура зернистого
теплоизоляционного материала
Максимальная пористость зернистого теплоизоляционного материала на основе модифицированной жидкостекольной композиции достигается при формировании структуры из пор различных размеров (уровней) менее 5 мм с соотношением диаметров пор 1 : 4 и более исходя из принципов плотной упаковки. Дифференциальная пористость образуется при термообработке 400 С с удалением свободной воды (1 уровень), воздухововлечении при введении поверхностно-активных веществ (2 уровень), использование дисперсного компонента с микропористой структурой – микрокремнезема (3 уровень).
Рисунок 4 – Поровая структура зернистого
теплоизоляционного материала с добавкой
сульфатного мыла
Управление пористостью и оптимизация поровой структуры позволяют не только снизить теплопроводность зернистых теплоизоляционных материалов, но и обеспечить наиболее оптимальный комплекс показателей их качества в целом.
Результаты проведенных научных исследований позволили сформировать дифференцированный подход к выбору модифицирующих добавок. Так, материалы с добавками сульфатного мыла, пека таллового и пека таллового омыленного целесообразно применять для теплоизоляции чердачных перекрытий, а материалы с добавками глиежа и золы-уноса – для теплоизоляции ограждающих строительных конструкций с замкнутой несъемной опалубкой.
На основе результатов научных исследований разработана методика расчета состава сырьевой смеси для получения зернистых утеплителей на основе модифицированной жидкостекольной композиции в зависимости от их области применения.
В пятой главе представлена разработанная технология производства зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции из микрокремнезема, характеризующаяся простотой, малой длительностью и низкими энергозатратами.
Основными технологическими операциями являются получение модифицированной жидкостекольной композиции в течение 1040 минут (в зависимости от силикатного модуля и количества модифицирующих добавок) при температуре 8595С и атмосферном давлении, формирование сырцовых гранул и их вспучивание при температуре 400 С в течение 1020 минут.
Результаты научных исследований позволили предложить ряд технических решений, с учетом которых были разработаны рекомендации по производству зернистых теплоизоляционных материалов.
Промышленная апробация технологии на базе ООО «Экомат» подтвердила достоверность полученных выводов и заключений.
Рассмотрены экономические и экологические аспекты разработанных предложений по получению зернистых теплоизоляционных материалов модифицированной жидкостекольной композиции. Расчетная стоимость 1 м3 зернистого теплоизоляционного материала составляет 420485 руб., что, для сравнения, значительно ниже цены керамзитового гравия, стоимость которого 1200 руб. за 1 м3. При этом полученный зернистый теплоизоляционный материал характеризуется существенно меньшей насыпной плотностью 50220 кг/м3 и теплопроводностью фракции 10-20 мм не более 0,050,07 Вт/(м·°С).
Полученные результаты научных исследований, разработанные зернистый теплоизоляционный материал и технология отличаются высокой степенью коммерциализации и позволяют снизить количество промышленных отходов, попадающих в окружающую среду.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Для управления пористостью и, соответственно, комплексом показателей качества зернистых теплоизоляционных материалов на основе жидкостекольной композиции из микрокремнезема предложены различные модифицирующие добавки природного и техногенного характера: глиеж Богучанского месторождения и зола-уноса ИТЭЦ-7 для упрочнения межпоровых перегородок, попутные продукы сульфатно-целлюлозной переработки древесины (сульфатное мыло, пек талловый и пек талловый омыленный) для дополнительной поризации зерен материалов.
2. Требуемые структурные и физико-механические показатели зернистых теплоизоляционных материалов обеспечиваются при использовании жидкостекольной композиции с силикатным модулем 35, тонкодисперсных активных минеральных добавок – до 20%, а попутных продуктов сульфатно-целлюлозной переработки древесины – до 2% от массы микрокремнезема.
3. При введении в жидкостекольную композицию глиежа и золы-уноса увеличивается содержание кристаллической фазы межпоровых перегородок и повышается прочность (до 1,35 МПа), водо- и морозостойкость зернистых теплоизоляционных материалов. Материал с добавками сульфатного мыла, пека таллового и пека таллового омыленного за счет термической деструкции последних при термообработке 400С отличаются высокой пористостью (до 92,5%) и низкими насыпной плотностью 50220 кг/м3 и теплопроводностью 0,05 0,07 Вт/(м·°С).
4. С помощью методов и средств для анализа данных на ЭВМ оптимизированы составы для получения зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции: силикатный модуль n=5, расход тонкодисперсных активных минеральных добавок 10%, а попутных продуктов сульфатно-целлюлозной переработки древесины – 1% от массы микрокремнезема.
5. Модифицирующие добавки (глиеж Богучанского месторождения и сульфатное мыло) способствуют снижению среднего диаметра внутризерновых пор на 33,33 % и 39,22 %, уменьшению среднего диаметра пор в межпоровых перегородках на 16,4% и 36,1% и более равномерному их распределению по объему зерен, а межпоровые перегородки близки между собой по толщине. Поверхность зернистых теплоизоляционных материалов с модифицирующими добавками отличается плотностью и однородностью. Оптимизация поровой структуры зернистого материала позволяет снизить теплопроводность до 0,05 Вт/(м·°С).
6. Сформирован дифференцированный подход к выбору модифицирующих добавок и, соответственно, характеристик состава сырьевой смеси в зависимости от назначения получаемых материалов. Зернистые теплоизоляционные материалы с добавками промежуточных и попутных продуктов сульфатно-целлюлозной переработки древесины могут быть использованы для теплоизоляции чердачных перекрытий, а с тонкодисперсными активными минеральными добавками – для теплоизоляции ограждающих строительных конструкций с замкнутой несъемной опалубкой.
7. Разработаны методика расчета состава и технология получения зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции из микрокремнезема.
8. Результаты научных исследований, рекомендаций и выводов подтверждены опытно-промышленными испытаниями, проведенными на базе ООО «Экомат», ИЦ «Братскстройэксперт» и патентами РФ.
9. Расчетная стоимость 1 м3 зернистых теплоизоляционных материалов на основе модифицированной жидкостекольной композиции из микрокремнезема составляет 420 485 руб., что примерно в три раза ниже, чем стоимость существующих аналогов, в частности, керамзитового гравия.
10. Подтверждено соответствие зернистых теплоизоляционных материалов требованиям ТУ 5712-018-02069295-2003.
Основные положения и результаты диссертационной работы наиболее полно отражены в следующих публикациях:
- Радина, Т.Н. Технология получения зернистого теплоизоляционного материала с использованием техногенного сырья / Т.Н. Радина, Н.А. Свергунова, М.А. Кузнецова, Е.А. Дмитриева, М.Ю. Иванов // Композиционные строительные материалы. Теория и практика: сб. науч. трудов междунар. науч.-техн. конф. – Пенза: ПГАСА, 2002. – 396с.
- Радина, Т.Н. Разработка производства гранулированного теплоизоляционного материала повышенной водостойкости на основе местного техногенного сырья / Т.Н. Радина, М.Ю. Иванов // Труды Братского гос. техн. ун-та. В 2т. Т.2. – Братск: БрГТУ, 2002. – 265с. – (Естественные и инженерные науки – развитию регионов).
- Зернистый теплоизоляционный материал на основе модифицированного жидкого стекла из микрокремнезема / А.И. Кудяков, Т.Н. Радина, М.Ю. Иванов // Строительные материалы. – 2004. – №11. – С.12.
- Радина, Т.Н. Зернистые теплоизоляционные материалы в строительстве / Т.Н. Радина, М.Ю. Иванов, В.М. Малунова, Г.М. Малунова // Строительство: материалы, конструкции, технологии: Материалы III межрегион. науч.-техн. конф. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2005. – 157с.
- Радина, Т.Н. Эффективные теплоизоляционные материалы на основе местного техногенного сырья / Т.Н. Радина, М.Ю. Иванов // Актуальные проблемы современного строительства. Строительные материалы и конструкции: Материалы междунар. науч.-техн. конф. – Пенза: ПГУАС, 2005. – 256с.
- Зернистый теплоизоляционный материал на основе жидкого стекла из микрокремнезема и золы-уноса / А.И. Кудяков, Т.Н. Радина, М.Ю. Иванов // Проектирование и строительство в Сибири. – 2006. – №2. – С.21-22.
- Иванов, М.Ю. Методы и средства для анализа данных на ЭВМ в строительстве / М.Ю. Иванов // Строительство: материалы, конструкции, технологии: Материалы IV межрегион. науч.-техн. конф. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2006. – 121с.
- ТУ 5712-018-02069295-2003. Материалы теплоизоляционные зернистые на основе жидкого стекла из микрокремнезема. Технические условия / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Свергунова Н.А., Иванов М.Ю. – №079/002171; Введ. 2003-06-02 без огранич. срока действ. – Томск: Томский Центр стандартизации, метрологии и сертификации, 2003. – 10с.
- Пат. 2234474 Российская Федерация, МПК С 04 В 20 / 00. Способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Радина Т.Н., Свергунова Н.А., Рубайло И.С., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель Братский гос. техн. ун-т. – №2002103461/03; заявл. 06.02.2002; опубл. 10.10.2003, Бюл. №23. – 6с.
- Пат. 2220927 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель Братский гос. техн. ун-т. – №2002110483/03; заявл. 19.04.2002; опубл. 10.01.2004, Бюл. №1. – 6с.
- Пат. 2220928 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель Братский гос. техн. ун-т. – №2002111463/03; заявл. 29.04.2002; опубл. 10.01.2004, Бюл. №1. – 6с.
- Пат. 2246462 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. техн. ун-т». – №2003124577/03; заявл. 06.08.2003; опубл. 20.02.2005, Бюл. №5. – 5с.
- Пат. 2246463 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения зернистого теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. техн. ун-т». – №2003131117/03; заявл. 22.10.2003; опубл. 20.02.2005, Бюл. №5. – 5с.
- Пат. 2257358 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. техн. ун-т». – №2004109729/03; заявл. 30.03.2004; опубл. 27.07.2005, Бюл. №21. – 5с.
- Пат. 2264363 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. техн. ун-т». – №2004109730/03; заявл. 30.03.2004; опубл. 20.11.2005, Бюл. №7. – 5c.
- Пат. 2267468 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. техн. ун-т». – №2004109731/03; заявл. 30.03.2004; опубл. 10.01.2006, Бюл. №1. – 5c.
- Пат. 2274620 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь для гранулированного теплоизоляционного материала и способ его получения / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. техн. ун-т». – №2004128504/03; заявл. 27.09.2004; опубл. 20.04.2006, Бюл. №11. – 5c.
- Пат. 2290376 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. ун-т». – № 2005122340/03; заявл. 14.07.2005; опубл. 27.12.2006, Бюл. №36. – 4,6c.
- Пат. 2290377 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. ун-т». – № 2005122383/03; заявл. 14.07.2005; опубл. 27.12.2006, Бюл. №36. – 4,6c.
- Пат. 2290378 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26, С 04 В 111 / 40. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. ун-т». – № 2005122337/03; заявл. 14.07.2005; опубл. 27.12.2006, Бюл. №36. – 4,5c.
- Пат. 2290379 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26, С 04 В 111 / 40. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. ун-т». – № 2005122341/03; заявл. 14.07.2005; опубл. 27.12.2006, Бюл. №36. – 4,5c.
- Пат. 2295508 Российская Федерация, МПК С 04 В 28 / 26, С 04 В 111 / 40. Сырьевая смесь и способ получения гранулированного теплоизоляционного материала / Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Братский гос. ун-т». – № 2005122339/03; заявл. 14.07.2005; опубл. 20.03.2007, Бюл. №8. – 4,5c.
Иванов Михаил Юрьевич
ЗЕРНИСТЫЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОЙ
ЖИДКОСТЕКОЛЬНОЙ КОМПОЗИЦИИ
АВТОРЕФЕРАТ
Изд. лиц. №021253 от 31.10.97 г.
Подписано в печать 1.10.2007 г. Формат 6084 1/16.
Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Усл.-печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,0.
Тираж 100 экз. Заказ № ____
Изд-во ГОУ ВПО «ТГАСУ», 634003, г.Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета автора в ООП ГОУ ВПО «ТГАСУ».
634003, г.Томск, ул. Партизанская, 15.
