способ получения строительного материала

Формула изобретения

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, отличающийся тем, 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 ч с обезвоживанием до 8-10%, подъем температуры до 600°С со скоростью не более 300°С в ч, затем - до 750°С со скоростью не более 50°С в ч, обжиг в течение 1 ч 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 ч, затем - до температуры окружающей среды.

Описание изобретения к патенту

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.

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/м³ и насыпной объемной массой 586 кг/м³ с пределом прочности при сжатии 75-100 кг/см². 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 2 (аморфный кремнезем)	30-98
SiO 2 (кварц)	до 25
Аl 2О3	до 20
Fе 2О3	до 10
CaO	до 30
MgO	до 6
SO3	0.14
ППП	14
Na2O+K 2O	до 3
Аl2 O3+Fe2O3	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.

Для представления, какими свойствами будет обладать вновь созданный материал, необходимо знать, какими минералами представлен SiO ₂ (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,

W₀₁ - предельные объемы адсорбционного пространства для определенного вида микропор, соответственно м³ /кг,

V_m - молярный объем бензола (0,088см ³/моль при 293К),

B₁ - структурная константа, характеризующая размеры микропор всех видов,

Т - температура опыта,

P_s - давление насыщенного пара,

Р - равновесное давление бензола.

Для нахождения констант W₀ и В уравнение представляют в линейной форме и строят по экспериментальным данным график зависимости. Для указанной формулы W₀₁=0,350 мкм, B₁=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.

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/м³, прочностные характеристики - R_сж 16 кг/см², R_раст 1,1 кг/см ², 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.

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/м³, 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.