способ получения пенокерамических изделий

Формула изобретения

1. Способ получения пенокерамических изделий, включающий совместное перемешивание тонкомолотой глины, заполнителя, выгорающей, стабилизирующей и флюсующей добавок, жидкого стекла, пластификатора, воды и вспенивающего агента, формование, сушку и обжиг изделий, отличающийся тем, что в качестве выгорающей добавки используют древесные опилки фракции 0,25-0,315 мм, в качестве заполнителя - молотый бой керамического кирпича, в качестве флюсующей добавки вводят молотое стекло и отходы травления алюминия плотностью 1,05-1,3 г/см ³, при этом глину, бой керамического кирпича и молотое стекло перед смешиванием компонентов измельчают до размера частиц 70-100 мкм, а в качестве вспенивающего агента используют отдельно приготовленную пену, дополнительно вводят портландцемент, нагревание отформованных изделий при сушке осуществляют при 40-60°С, а обжиг - при температуре 980-1050°С, при этом соотношение компонентов смеси составляет, мас.%:

глина	36,30-41,90
молотый бой керамического кирпича	7,72-9,10
древесные опилки	1,90-4,40
портландцемент	4,25-4,80
отход травления алюминия	3,20-5,30
молотое стекло	6,30-9,70
жидкое стекло	1,25-1,29
пластификатор	0,10-0,20
пена	0,30-0,40
вода	30,10-32,60

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование изделий производят в разборных металлических формах, выложенных бумагой, предохраняющей их после распалубки от механических повреждений при транспортировке в печь, перед обжигом изделий бумагу снимают и используют повторно.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что обжиг проводят при температуре 1030°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, главным образом к получению пенокерамических материалов для устройства эффективных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий.

Известен способ приготовления пеноглинобетона, включающий приготовление шликера, формование и 28 суточную выдержку (Черных В., Маштаков А., Галаган К., Шестакова Е. Строительные изделия с применением глинистого сырья // Строительные материалы. 2003. №12. с.46-47), причем шликер состоит, мас.%:

глина 43,8;

цемент 21,9;

известь 1,31;

гидрофобная добавка 0,15;

ускоритель твердения 0,31;

пена 1,22;

вода 31,28 (остальное).

Недостатком этого способа является относительно невысокая прочность, высокая плотность и низкий коэффициент водостойкости получаемых изделий и низкая морозостойкость.

Наиболее близким к изобретению является способ получения пенокерамики, который предусматривает перемешивание глины, заполнителя, фибры, воды и вспенивающего агента, формование изделий, сушку и обжиг. В качестве фибры используют базальтовое волокно, в качестве заполнителя - молотое стекло или обожженную глину и пену. Дополнительно вводят пластификатор, жидкое стекло, фосфорную кислоту (заявка №2004111833/03, дата публикации 10.05.2005, дата начала действия патента 20.04.2004, автор Галаган К.В. и др.). Соотношение компонентов смеси составляет, мас.%:

глина 46-56;

заполнитель 7,8-12,8;

жидкое стекло 0,07-0,77;

фибра 0,39-0,43;

пластификатор 0,13-0,23;

фосфорная кислота 0,13-0,38;

пена 2,6-3,8;

вода - остальное.

Недостатком этого способа является относительно невысокая прочность пенокерамических изделий и повышенная теплопроводность.

Изобретение направлено на повышение прочности, снижение теплопроводности, расширение сырьевой базы исходных компонентов пенокерамических изделий и повышение экологической безопасности окружающей среды в результате утилизации промышленных отходов

Результат достигается тем, что в способе получения пенокерамических изделий, включающем совместное перемешивание тонкомолотой глины, заполнителя, выгорающей, стабилизирующей и флюсующих добавок, жидкого стекла, пластификатора, воды и вспенивающего агента, формование, сушку и обжиг изделий, согласно изобретению, в качестве выгорающей добавки используют древесные опилки фракции 0,25-0,315 мм, в качестве заполнителя бой керамического кирпича, в качестве флюсующей добавки молотое стекло и отходы травления алюминия плотностью 1,05-1,3 г/см³, при этом глину, бой керамического кирпича и молотое стекло перед смешиванием компонентов измельчают до размера частиц 70-100 мкм, а в качестве вспенивающего агента используют отдельно приготовленную пену, дополнительно вводят портландцемент; сушку отформованных образцов осуществляют при 40-60°С, а обжиг при температуре 980-1050°С, при этом соотношение компонентов смеси, мас.%:

глина 36,30-41,90;

молотый бой керамического кирпича 7,72-9,10;

древесные опилки 1,90-4,40;

портландцемент 4,25-4,80;

отход травления алюминия 3,20-5,30;

молотое стекло 6,30-9,70;

жидкое стекло 1,25-1,29;

пластификатор 0,10-0,20;

пена 0,30-0,40;

вода 30,10-32,60.

Результат достигается тем, что формование изделий производят в разборных металлических формах, выложенных бумагой, предохраняющей их после распалубки от механических повреждений при транспортировке в печь, перед обжигом изделий бумагу снимают и используют повторно.

Результат достигается также тем, что обжиг проводят при оптимальной температуре 1030°С.

Для получения пенокерамических изделий использовались следующие ингредиенты: глина Сарай-Чекурчинского месторождения, молотый бой керамического кирпича - отход производства Арского кирпичного завода, отходы травления алюминия, составы которых приведены в таблице 1.

Таблица 1
№	Содержание, мас.%
	Н2О	SiO2	TiO2	Fe 2О3	MnO	CaO	MgO	Na2O	Р2О3	SO3	ппп
			Al2O 3	FeO				K 2О
1	4,19	69,37	13,69	4,52	0,08	1,90	1,43	3,3	0,11	0,07	5,3
2	0,08	72,83	12,73	5,99	0,09	2,95	1,7	2,93	0,1	0,09	0,45
3	-	-	38,0-40,2	1,7-1,8	-	-	-	44,2-46,0	-	1,0- 2,3	-
Примечание: 1 - глина Сарай-Чекурчинская; 2 - бой керамического кирпича - отход производства Арского кирпичного завода; 3 - отходы травления алюминия.

В качестве пенообразователя использовали «Пеностром» по ТУ 0258-001-22299560-97 или ПБ-2000 по ТУ 2481-185-05744685-01.

Суперпластификатор С-3, порошок светло-коричневого цвета, соответствует ТУ 6-36-0204229-625. В процессе эксплуатации не оказывает вредного воздействия.

Отходы травления алюминия представляют собой темно-желтую жидкость плотностью 1,05-1,3 г/см³. Эти многотонажные отходы в настоящее время нигде не используются и отправляются на регенерацию, что требует больших материальных затрат на их нейтрализацию. Отход травления алюминия - алюминатно-солевой раствор в виде мононатриевого алюмината Al₂ O₃, в малых количествах Al(ОН) ₃ и незначительного количества других компонентов. Химический состав щелочных компонентов приведен в табл.1. Выбор этих добавок обоснован наличием Na₂O и Al ₂О₃, присутствие в них оксидов щелочных металлов (в данном случае Na₂O) снижает температуру образования пиропластичной массы, а наличие Al ₂О₃ в системе повышает прочность черепка.

Молотое стекло получали путем размалывания боя стеклотары (ГОСТ Р 52022-2003) в шаровой мельнице до фракции 70-100 мкм.

Стекло жидкое натриевое (ГОСТ 13078-81) представляет собой густую жидкость желтого или серого цвета без механических включений и примесей.

В качестве стабилизирующей добавки использовался Вольский портландцемент марки 500 ГОСТ 10178-85.

Древесные опилки представляют собой отходы деревообрабатывающих комбинатов, например Васильевский - п.Васильево, Зеленодольский район, РТ, образующиеся в больших объемах и в настоящее время практически нигде не используются. Насыпная плотность древесных опилок составляет 180-190 кг/м³, фракция используемых древесных опилок составляет 0,25-0,315 мм.

Вода, применяемая для получения керамического шликера и получения пены, соответствует ГОСТ 23732-79.

Пенокерамическую смесь готовят следующим образом. В смесителе готовят компонентную смесь в указанных в формуле пределах (в мас.%): глина, молотый кирпичный бой, молотое стекло, портландцемент, жидкое стекло, отход травления алюминия, древесные опилки, пластификатор С-3, вода. Добавляют пену и тщательно перемешивают в течение 0,5-1 минуты. Смесь заливают в формы, с внутренней стороны обложенные бумагой. Затем высушивают при температуре 40-60°С в течение 24 часов, обжигают при температуре 980-1050°С в течение 12 часов. Температура и продолжительность обжига зависят от вида применяемой глины, количества отхода травления алюминия и молотого стекла. С повышением количества отхода травления и молотого стекла температура обжига понижается. Остаточная влажность образцов после сушки должна составлять 5-7%. При меньшей и большей влажности происходит трещинообразование при обжиге изделий и снижение прочности.

Ввод глины, боя керамического кирпича и молотого стекла, измельченных до размеров частиц 70-100 мкм, обоснован тем, что они при тонком измельчении лучше взаимодействуют в пределах температуры обжига пенокерамических изделий. В таблице 2 показано, что при тонкости помола 70-100 мкм обеспечивается набольшая подвижность керамического шликера, обусловленная тем, что достигается наиболее плотная упаковка частиц сырья при наименьшей удельной поверхности. Это способствует укреплению межпоровых перегородок и, в конечном счете, повышению прочности изделия и снижению водопоглощения.

Таблица 2
№ п/п	Тонкость помола боя кирпича и молотого стекла, мкм	Подвижность шликера, мм
1	менее 50	77
2	50-70	115
3	70-100	134
4	100-120	98

Добавка портландцемента и жидкого стекла способствует закреплению структуры во время сушки изделий, снижению усадки и плотности пеносырца. Как видно из результатов, представленных в таблице 3, совместное использование портландцемента с жидким стеклом взаимно активизирует свое действие и ускоряет процесс структурообразования пеносырца, снижая его усадку.

Таблица 3
№ п/п	Добавка	Свойства пеносырца
		Плотность, кг/м 3	Усадка, %	Трещины шт. (более 10 мм)
1	Портландцемент	590	11	4
2	Жидкое стекло	595	14,5	6
3	Портландцемент + жидкое стекло	590	9	2
4	Контр. состав (без добавок)	600	21,5	12

В качестве пластификатора, который применяется для повышения подвижности шликера, снижения влагосодержания и снижения времени, необходимого для влагоотдачи пеношликерной массы во время сушки изделий, лучше использовать суперпластификатор С-3. Результаты исследования различных пластификаторов на подвижность керамического шликера, представленные в таблице 4, подтвердили, что суперпластификатор С-3 способствует наибольшему повышению подвижности керамического шликера при равном количестве воды затворения для всех составов, что ускоряет процесс влагоотдачи при сушке пеносырца и снижает трещинообразование

Таблица 4
№ сост.	Состав шликера, % (об.) от глины					В/Т	Расплыв, мм
	Глина	С-3	Сода	ПЩ	Без добавок
1	100	0,3				0,6	161
2			0,3			0,6	134
3				0,3		0,6	128
4					-	0,6	107

Для снижения усадки, повышения трещиностойкости сырца при сушке, снижения средней плотности и теплопроводности пенокерамического изделия в качестве выгорающей добавки использовали древесные опилки. Введение древесных опилок обоснованно их армирующим эффектом, т.к. частицы древесных опилок, дисперсно распределяясь в пеношликере, структурно укрепляют его, снижая усадку и трещинообразование. В процессе обжига опилки выгорают и образуют дополнительную макропористость, которая снижает плотность и теплопроводность пенокерамики. Установлено, что наибольший эффект достигается при введении древесных опилок фракции 0,25-0,315 мм, т.к. при меньшем размере фракции резко повышается водопотребность, а при большем происходит разрушение мелкопористой структуры пеношликера, образованной введением пены.

Применение пены при изготовлении пенокерамических изделий обеспечивает получение ячеистой структуры с замкнутыми порами, что улучшает теплозащитные свойства и снижает теплопроводность. В таблице 5 представлены результаты исследования влияния вида пенообразователя на плотность и теплопроводность пенокерамики. Видно, что при использовании пенообразователей ПБ-2000 и «Пеностром» наблюдается наименьшая усадка, средняя плотность и теплопроводность, это связано с образованием более однородной пористости и замкнутого характера пор по сравнению с образцами, приготовленными с использованием других пенообразователей.

Таблица 5
№ п/п	Пенообразователь	Свойства		Примечание
		Плотность, кг/м3	Теплопроводность, Вт/(м·°С)
1	ПБ 2000	520	0,106
2	Унипор	700	1,3	растрескался
3	Пеностром	575	0,108
4	ПО 6	650	0,125

Сушку проводят до остаточной влажности изделия 5-7% при оптимальной температуре, равной 40-60°С. Свойства пеносырца одного состава при различных температурах сушки представлены в таблице 6. При большей температуре разрушается пена и повышается трещинообразование. Сушка пеносырца при температуре менее 40°С приводит к замедлению процесса влагоотдачи и закрепления структуры пеносырца, что повышает усадку и трещинообразование. При температуре свыше 60°С также происходит повышение трещинообразования и усадки, вызванное тем, что при повышенных температурах пена разрушается и не успевает закрепить структуру пеносырца. Следовательно, оптимальной температурой сушки является температура 40-60°С, при которой, как видно из таблицы 6, наблюдается наименьшая усадка и трещинообразование. Это связано с тем, что при равномерной влагоотдаче структура пеносырца успевает закрепиться без разрушения пены и возникновения внутренних напряжений. В процессе сушки после распалубки сырец переворачивается основанием наверх, чтобы изменить направление влагоотдачи, позволяющее снизить усадку и сохранить равномерную пористость.

Таблица 6
№ п/п	Температура сушки,°С	Свойства пеносырца
		Усадка, %	Плотность, кг/м 3	Трещины шт. (более 10 мм)
1	30-40	12	605	5
2	40-50	8,5	530	2
3	50-60	9	560	3
4	60-70	18	685	9

Формование пенокерамических изделий проводят в разборных металлических формах. При этом для формования используют формы, дно стенки которых предварительно обложены бумагой, которая после распалубки пенокерамического сырца, защищает его от механических повреждений при транспортировке в печь, однако перед обжигом бумага снимается и используется повторно.

Обжиг пенокерамики проводится при температуре 980-1050°С (оптимальная 1030°С) в течение 12 часов. Продолжительность обжига зависит от вида применяемой глины, количества отходов травления алюминия (далее ОТА) и молотого стекла. Установлено, что с повышением количества ОТА и молотого стекла температура обжига понижается. Рентгено-фазовый и дифференциально-термический анализы контрольных образцов пенокерамики, обожженных в указанном температурном интервале, позволили установить, что повышение прочности черепка при введении в шихту флюсующих компонентов в виде смеси ОТА и стеклобоя связано с образованием волостонита и моноклинного пироксена.

Данные экспериментов по получению пенокерамических изделий представлены в таблицах 7 и 8.

Таблица 7
№ сост.	Состав смеси, мас.%
	Глина	Кирпичный бой	Молотое стекло	Древесные опилки	Отход травления алюминия	Пенообразователь	Портландцемент	Жидкое стекло	Пластификатор С-3	Вода
1	41,90	7,72	6,40	1,90	4,80	0,40	4,50	1,28	0,1	31,00
2	38,80	8,71	9,70	3,20	3,20	0,30	4,50	1,29	0,20	30,10
3	40,10	8,10	6,40	3,20	4,80	0,30	4,80	1,27	0,13	30,90
4	36,30	9,10	6,30	4,40	5,30	0,40	4,25	1,25	0.1	32,60
5	45,50	7,29	3,30	4,90	3,30	0,40	3,30	1,31	0	30,70
6	32,75	9,20	9,70	4,40	6,30	0,30	3,10	1,25	0,2	32,80
Состав по прототипу
7	46		Обожженная глина 12,8	Базальтовое волокно 0,41	Фосфорная кислота 0,38	3,8		0,77	0,23	35,61

Видно, что предел прочности при сжатии образцов, полученных по предлагаемому способу, составляет 3,7-4,0 МПа при плотности 580-630 кг/м, у наиболее близкого аналога (прототипа) предел прочности при сжатии равен 3,5 МПа при плотности 650 кг/м ³. Теплопроводность заявленных составов составляет 0,108-0,119 Вт/(м·°С), у наиболее близкого аналога 0,14 Вт/(м·°С).

Предлагаемое изобретение может быть использовано практически на любом заводе по производству керамического кирпича для изготовления конструкционно-теплоизоляционных пенокерамических изделий, которые могут применяться для устройства эффективных ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. Изобретение позволяет увеличить прочность пенокерамического изделия, снизить теплопроводность, а также расширить сырьевую базу исходных компонентов пенокерамических изделий и утилизировать промышленные отходы.

Таблица 8
Свойства	Показатели по составам
	1	2	3	4	5	6	Прототип
Предел прочности на сжатие, МПа	3,7	3,7	3,8	4,0	2,1	5,4	3,5
Средняя плотность, кг/м3	590	580	600	630	420	870	650
Теплопроводность, Вт/(м·°С)	0,110	0,108	0,109	0,119	0,087	1,142	0,14