WO2008143549A1 - Строительный материал и способ его получения - Google Patents

Строительный материал и способ его получения Download PDF

Info

Publication number
WO2008143549A1
WO2008143549A1 PCT/RU2008/000295 RU2008000295W WO2008143549A1 WO 2008143549 A1 WO2008143549 A1 WO 2008143549A1 RU 2008000295 W RU2008000295 W RU 2008000295W WO 2008143549 A1 WO2008143549 A1 WO 2008143549A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
silica
expanded
silicate mass
mass
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000295
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nikolai Alexandrovich Merkin
Boris Vasilievich Pisarev
Valery Mikhailovich Gomenyuk
Dmitry Valerievich Lavrenin
Original Assignee
Nikolai Alexandrovich Merkin
Boris Vasilievich Pisarev
Valery Mikhailovich Gomenyuk
Dmitry Valerievich Lavrenin
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikolai Alexandrovich Merkin, Boris Vasilievich Pisarev, Valery Mikhailovich Gomenyuk, Dmitry Valerievich Lavrenin filed Critical Nikolai Alexandrovich Merkin
Publication of WO2008143549A1 publication Critical patent/WO2008143549A1/ru

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/02—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding chemical blowing agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/20—Resistance against chemical, physical or biological attack
    • C04B2111/28—Fire resistance, i.e. materials resistant to accidental fires or high temperatures

Definitions

  • the invention relates to the field of the construction industry, in particular, to a building material and a method for its production.
  • Known building material and the method of obtaining it according to patent RU 2053984 is obtained from the initial mixture containing a silica-containing component, an alkaline component, a zinc-containing additive and water with a ratio of alkaline component to silica-containing component from 0.4 to 0.5 and the ratio the total content of silica-containing and alkaline components to the water content in the range of values from 0.7 to 2.5.
  • Tripoli, diatomite or flask are used as the silica-containing component
  • sodium hydroxide is used as the alkaline component
  • zinc oxide, zinc sulfate or zinc chloride are used as the zinc-containing additive
  • tap water is used as water.
  • the resulting material has a density of 134 to 302 kg / m 3 , a thermal conductivity of 0.074 to 0.098 Wt / (m- ° C) and compressive strength of 2 to 10 kgf / cm 2 .
  • the material has a low quality due to non-uniform porosity, namely, there is a significant pore size variation in their sizes, as well as the presence of voids and seals in the structure of the material.
  • the specified low quality of the material determines an insufficiently good combination of the above characteristics, namely, its density, compressive strength and thermal conductivity.
  • a material with a density of 134 kg / m 3 has a rather low compressive strength of 2 kgf / cm 2 and a very high (for a given density) value of the thermal conductivity coefficient of 0.074 W / (m- ° C).
  • a material with a density of 302 kg / m 3 at a relatively acceptable value of the coefficient of thermal conductivity of 0.098 Wt / (m- ° C) has a rather low value of compressive strength of 10 kgf / cm 2 .
  • the method of obtaining the material consists in mixing a silica-containing component, an alkaline component, a zinc-containing component and water to obtain an initial mixture in which the ratio of the content of the alkaline component to the content of the silica-containing component is in the range from 0.4 to 0.5 and the ratio of the total content silica-containing and alkaline components to the water content is in the range from 0.7 to 2.5.
  • the specified mixture is stirred until a homogeneous mass is obtained, in which silicate formation reactions take place to obtain a silicate mass.
  • the resulting silicate mass is filled into molds, heated to a temperature of 350 - 400 ° C, at which the mass is expanded, followed by cooling to ambient temperature and the finished building material being removed from the molds.
  • the expansion of the silicate mass is provided by water vapor, which is formed from water obtained by partial dehydration in the specified temperature range of certain types of hydroxides contained in the silicate mass. Also in the process of expansion are gases involved in the burnup and chemical interaction of various impurities contained in the silicate mass.
  • the disadvantage of this method is the low quality of the material obtained, which manifests itself in non-uniform porosity and an unsatisfactory combination of material characteristics - density, compressive strength and thermal conductivity. Named flaw due to the fact that not only hydroxyl groups of the silicate mass are involved in the process of expansion, but also gases resulting from other reactions.
  • a well-known building material is obtained from an initial mixture comprising a silica-containing component, an alkaline component and water with a ratio of the alkaline component to the silica-containing component in the range values from 0.4 to 0.5, the total content of silica-containing component and alkaline component to the water content in the range The values from 2.3 to 3.3.
  • a silica-containing component tripoli, diatomite or flask are used, sodium hydroxide is used as the alkaline component, and tap water is used as water.
  • the resulting material has a density of 100 to 300 kg / m 3 , a thermal conductivity of 0.071 to 0.085 Wt / (m ° C) and compressive strength of 2 to 14 kgf / cm 2 .
  • the material has a low quality due to non-uniform porosity, namely, there is a significant pore size variation in their sizes, as well as the presence of voids and seals in the structure of the material.
  • the specified low quality of the material determines an insufficiently good combination of the above characteristics, namely, its density, compressive strength and thermal conductivity.
  • a material with a density of 100 kg / m 3 with an acceptable compressive strength of 2 kgf / cm 2 has a rather high (for a given density) value of the coefficient of thermal conductivity of 0.071 W / (m ° C).
  • a material with a density of 300 kg / m 3 with a good value of the coefficient of thermal conductivity of 0.085 Wt / (m ° C) has a rather low value of compressive strength of 14 kgf / cm 2 .
  • the method of obtaining the material is that a silica-containing component, an alkaline component and water are mixed to obtain an initial mixture in which the ratio of the content of the alkaline component to the content of the silica-containing component is in the range from 0.40 to 0.50 and the ratio of the total content of silica-containing and alkaline components to the water content is in the range of values from 2.3 to 3.3.
  • the process of carrying out silicate formation reactions is accompanied by mix the initial mixture for 10 to 20 minutes.
  • the resulting silicate mass is filled into molds and subjected to heat treatment in the temperature range of 40-60 ° C for 30-60 minutes, followed by its heating at a speed of 50-150 ° C / min to a swelling temperature in the range of 800-900 ° C and held for 20-30 minutes, followed by cooling to ambient temperature and removing building material from the molds.
  • the expansion of the silicate mass is ensured by water vapor, which is formed from water obtained by dehydration in the specified temperature range of certain types of hydroxides contained in the silicate mass. Also, in the process of expansion, gases are formed, which are formed during the burnup and chemical interaction of various impurities contained in the silicate mass.
  • the resulting material upon slow heating (less than 50 ° C / min) the resulting material has a high density (700 kg / m 3 ) due to the fact that during the slow heating of the silicate mass, chemically bound water is removed from the hydroxides of the silicate mass and the released water has time to evaporate at temperatures up to 500 ° C, i.e. before the melt.
  • the disadvantage of this method is the low quality of the material obtained, which manifests itself in non-uniform porosity and an unsatisfactory combination of material characteristics - density, compressive strength and thermal conductivity.
  • the mentioned drawback is explained by the fact that not only hydroxyl groups of the silicate mass are involved in the expansion process, but also gases resulting from other reactions.
  • the high heating rate of the silicate mass (50 - 150 ° C / min) creates significant difficulties for the industrial implementation of this method.
  • the objective of the invention is to provide a cost-effective method for producing building material with improved performance characteristics from widespread siliceous rocks.
  • the problem is solved in that in a method for producing a building material, comprising mixing a silica-containing component, an alkaline component and water with a ratio of the content of the alkaline component to the content of the silica-containing component from 0.08 to 0.50 and the ratio of the total content of silica-containing and alkaline components to the water content to 2.0 to obtain a homogeneous silicate mass, filling the form with a silicate mass, heating it to a swelling temperature, cooling the expanded silicate mass to ambient temperature and removing the finished building material from the mold, before filling the form, the silicate mass is pre-expanded by heating it to the temperature of expansion, cooling and grinding, while cooling the expanded mass before removing it from the mold is carried out with a gradual decrease in temperature, about effectiveness to the temperature difference on the surface and in the center of the expanded material, eliminating formation of cracks in the material.
  • the temperature of the expansion of the silicate mass is in the temperature range from 450 ° C to 900 ° C, and the pre-expanded silicate mass is naturally cooled under ambient conditions or by forced cooling so that the temperature difference on the surface and in the center of the expanded material provides expanded material of multiple cracks.
  • the pre-expanded silicate mass is ground to a particle size of less than 3 mm. Before preliminary expansion, the silicate mass can be granulated.
  • the building material obtained from the initial mixture including a silica-containing component, an alkaline component and water with a ratio of the content of alkaline component to the content of silica-containing component from 0.08 to 0.50 and the ratio of the total content of silica-containing and alkaline components to the content water to 2.0, obtained by the above method and has a density of PO to 700 kg / m 3 with a thermal conductivity of 0.035 to 0.17 W / (m-° C) and compressive strength of 2 to 300 kgf / cm 2 .
  • the resulting material When the ratio of the content of the alkaline component to the content of the silica-containing component is less than 0.08, the resulting material has a higher density, more than 700 kg / m 3 and an increased coefficient of thermal conductivity, more than 0.17 W / (m ° C). If the value of the specified ratio is more than 0.50, the cost of the material becomes unacceptably high due to the high content of the expensive alkaline component.
  • the ratio of the total content of the silica-containing component and the alkaline component to the water content should be at least 0.8. If the value of this ratio is less than 0.8, the costs of the subsequent removal of excess water begin to play a significant role.
  • the building material has a uniform structure, uniform porosity, there are no voids, seals and other defects.
  • High porosity, small pore sizes and a homogeneous structure provide the material with the best, previously unattainable, combinations of density, compressive strength, and thermal conductivity.
  • a material of this quality has wide industrial applications. It can be used in construction both as a heat-insulating material and as a structural material.
  • the material according to the invention can be used for thermal insulation of structures of buildings and structures, various industrial installations, equipment, refrigerators, pipelines and vehicles.
  • the material according to the invention can be used to make self-supporting fences and lintels for the construction of low-rise and high-rise residential, administrative and industrial buildings and structures, as well as supporting structural material for the construction of low-rise residential, administrative and industrial buildings and structures. Moreover, additional thermal insulation of structures made of this material is not required.
  • silica-containing component for the preparation of the initial mixture, organogenic, chemogenic and cryptogenic siliceous rocks are used: diatomites, spongolites, radiolarites, silicoflagellites, flasks, tripoli, zeolites, siliceous loams and their transitional varieties, including those with a clay component in the form of montmorillonite, montmorillonite-hydromica, kaolinite-montmorillonite hydromassite, kaolin.
  • Silicon dumps of technogenic origin in particular, silica fume (a by-product of metallurgical production in the smelting of ferrosilicon and its alloys) and ash, which is a combustion product of heating oil based on rice husk (husk), can also act as a silica-containing component.
  • silica fume a by-product of metallurgical production in the smelting of ferrosilicon and its alloys
  • ash which is a combustion product of heating oil based on rice husk (husk)
  • silica-containing component can act as a silica-containing component.
  • mixtures of the aforementioned siliceous rocks with each other, as well as with siliceous man-made by-products and dumps, for example, tripoli (and / or diatomite and / or flask, etc.) with silica fume can act as a silica-containing component.
  • the silica-containing component is introduced into the initial mixture in a finely divided state. Small particle sizes create the conditions for a high-quality process of silicate formation, which in turn lays the foundation for obtaining high-quality building material.
  • the recommended particle size of the silica-containing component is less than 300 microns. The large particle sizes of the silica-containing component can worsen the course of silicate formation reactions and thereby adversely affect the quality of the finished product.
  • both dry and wet grinding methods can be used.
  • wet grinding or grinding because it allows the use of a silica-containing component of natural humidity and eliminates the need for preliminary drying, which saves the corresponding energy costs.
  • Sodium hydroxide or potassium hydroxide is used as the alkaline component.
  • the alkaline component is introduced in the form of an aqueous solution. It is recommended to use commercially available solutions.
  • the components of the initial mixture are introduced into the mixer using dispensers.
  • the resulting initial mixture is mixed in a mixer until a homogeneous mass is obtained, which is maintained until the completion of silicate formation reactions to obtain a silicate mass.
  • the recommended exposure time is about 2 hours.
  • the mass can be mixed using cavitation equipment.
  • the mass can be heated (for example, subjected to processing in a heat chamber). You can also heat all or one of the components of the initial mixture before mixing them.
  • the resulting silicate mass placed on pallets or on a conveyor, is subjected to preliminary expansion in a furnace at a temperature of expansion.
  • the pre-expansion temperature depends on the chemical and mineralogical composition of the initial silica-containing component, on the ratio of alkaline and silica-containing components in the initial mixture and is in the temperature range 450 - 900 ° C.
  • the rate of heating of the silicate mass and its exposure time at the expansion temperature depends on many factors and, in particular, on the thickness of the silicate mass layer. These parameters (heating rate and exposure time), on the one hand, should ensure complete and uniform heating of the silicate mass, and on the other hand, the minimum exposure time at the expansion temperature.
  • the heating rate is in the range from 1 to 16 ° C / min, and the exposure time is from 5 to 150 minutes.
  • the expansion occurs due to the water released during the dehydration of certain hydroxides, as well as gases formed during the burnup and chemical interaction of various impurities contained in the silicate mass.
  • pre-expansion allows to neutralize the intumescent factors harmful to the quality of the final material and lay the foundation for obtaining high-quality material during the final expansion.
  • Complete and uniform heating of the mass ensures the guaranteed removal of harmful intumescent factors, and the minimum exposure time at the expansion temperature allows maximum preservation of the main intumescent factor - hydroxyl groups.
  • expanded granules can be an independent filling heat-insulating product.
  • pre-expanded material is recommended when the temperature difference on the surface and in the center of the material, causing the formation of multiple cracks in it. This will save energy on subsequent grinding. In addition, the overall process cycle will be shorter due to the rapid cooling of the pre-expanded material.
  • Developed cracking up to fracture into separate parts in some cases can be provided by simple cooling in ambient conditions. In order to accelerate cooling and increase the number of cracks and fractures of the expanded mass, it is possible to use forced cooling by fans or other methods. In some cases, cooling of the pre-expanded material is required to be carried out slowly with the rate of natural cooling of the expansion furnace. This is determined by the chemical and mineralogical composition of the initial silica-containing component, as well as by the processes occurring in the pre-expanded material when it is cooled.
  • the material obtained by preliminary expansion is subjected to grinding in a crusher and / or mill.
  • the material can be crushed to the size of the pieces with which the mill of the accepted type works before being fed into the mill.
  • the material is ground to a particle size of the main fraction of less than 3 mm. Grinding is required to ensure a uniform structure of the finished material, as well as to uniformly lay the silicate mass in the mold. In the case of larger particles (more than 3 mm), a deterioration in the quality of the material is possible. It is recommended to grind to a particle size of the main fraction of less than 0.8 mm. With such grinding, a good ratio between the energy consumption for grinding and the resulting operational characteristics of the material is ensured.
  • grinding of the material to a particle size of 300 microns or less is required. This is determined by the chemical and mineralogical composition of the initial silica-containing component, as well as the target characteristics of the final product. Forms are filled with crushed particles of pre-expanded material, which, when expanded, will provide the desired shape of the building material. Using forms, building materials can be given different shapes of blocks with different dimensions, for example, in the form of segments, shells for insulation of pipelines, etc.
  • the crushed material filling the molds is subjected to temperature at the expansion temperature in the expansion furnace. Swelling is ensured by the dehydration of hydroxides. The water resulting from dehydration turns into steam, which provides the formation of pores in the silicate mass, i.e. her bloating. With expansion, the initial volume occupied by the silicate mass increases several times. As in the case of pre-expansion, the expansion temperature depends on the chemical and mineralogical composition of the initial silica-containing component, on the ratio of alkaline and silica-containing components in the initial mixture and is in the temperature range 450 - 900 ° C.
  • the rate of heating of the silicate mass and its exposure time at the expansion temperature depends on many factors and, in particular, on the thickness of the silicate mass layer. These parameters (heating rate and holding time), on the one hand, should ensure complete and uniform heating of the silicate mass, and on the other, uniform swelling to a given density of the finished material. Typically, the heating rate is in the range from 1 to 16 ° C / min, and the exposure time is from 20 to 150 minutes.
  • the final properties of the material depend on the heating rate of the mass, temperature and time of its expansion. Therefore, to obtain a material of a given density, it is necessary to select a temperature-time graph of expansion.
  • the ratio of the temperature-time characteristics of the exposure of the silicate mass during preliminary and final expansion is largely determined by the chemical and mineralogical composition of the initial silica-containing component, as well as by the ratio of components in the initial mixture.
  • the expansion temperature must necessarily exceed the preliminary expansion temperature, in other cases this is not necessary, i.e. temperatures of preliminary and final expansion may coincide or the temperature of preliminary expansion may be higher than the temperature of final expansion.
  • the properties of the finished building material can be controlled by selecting the ratio of the exposure time of the silicate mass at the stages of preliminary and final expansion.
  • the ratio of temperatures and terms at the stage of expansion during preliminary and final expansion is determined by the viscosity of the melt and the energy levels of dehydration of hydroxides of silicate mass.
  • the melt viscosity determines the number of bubbles formed per unit time, and the energy levels of hydroxide dehydration control the degree of loss of the main intumescent factor (hydroxyl groups) during preliminary expansion.
  • the energy levels of hydroxide dehydration are determined by the mineralogical composition of the initial silica-containing component.
  • pre-expansion can be defined as interrupted expansion, the purpose of which is to release the silicate mass from harmful intumescent factors with maximum preservation of the main intumescent factor (hydroxyl groups).
  • hydroxyl groups The conservation of hydroxyl groups is ensured by controlling the viscosity of the melt and the energy levels of dehydration of the hydroxides of the silicate mass.
  • Cooling of the finished material is carried out with a gradual decrease in temperature, providing a temperature difference on the surface and in the center of the material, eliminating the formation of cracks in it. Otherwise, the material will collapse or crack.
  • the cooling rate of a material largely depends on its dimensions - the larger the material, the lower the cooling rate, and vice versa. For a particular production line, the cooling mode of the material is developed individually. The cooling rate depends mainly on the dimensions of the expanded block and, first of all, on the thickness of the expanded block. Another factor affecting the cooling rate is the thermal conductivity of the material.
  • V 150 / h 2 , where h is the height of the production unit in cm
  • the cooling rate of the product block usually provides high-quality products that exclude the presence of cracks while maintaining strength and water absorption of the material. However in in some cases, it is necessary to reduce the design speed to 2 to 3 times in order to achieve a high yield of quality products. This is usually required when the block thickness is less than 10 cm. In other cases, it is possible to increase the speed up to 1.5 - 2 times without losing product quality. This is usually possible with a product block thickness above 25 cm.
  • the above dependence can be applied to the entire temperature range during cooling of the unit, i.e. from expansion temperature up to 30 - 40 ° C.
  • expansion temperature up to 30 - 40 ° C.
  • an increased cooling rate of 2 to 4 calculated speeds can be applied.
  • the resulting building material is removed from the molds and can be used for its intended purpose. If necessary, the material can be cut into products of the required shapes and sizes.
  • the resulting building material refers to inorganic, non-combustible, environmentally friendly, mechanically strong, bio-, atmospheric-acid-, moisture- and frost-resistant, durable and effective building and heat-insulating materials with low thermal conductivity.
  • the material can be used for thermal insulation of structures of buildings and structures, various industrial installations, equipment, refrigerators, pipelines and vehicles. Also, the material can be used as structural and thermal insulation for the erection of structures of buildings and structures, performing both structural and thermal insulation functions.
  • the material can be produced not only in pieces (blocks, plates, shells), but also in bulk (granules) form.
  • silica-containing component we took a zeolite-containing tripoli of a natural deposit of the following chemical composition, in wt.%: SiO 2 65.7
  • caustic soda was taken in an amount of 0.5 relative to tripoli.
  • the ratio of the total content of tripoli and caustic soda to the water content was 1.2.
  • the calculation of the amount of water includes water entering the sodium hydroxide solution, as well as water, which constitutes the natural (career) moisture of tripoli.
  • the specified initial mixture using a grinder was ground to a particle size of 5 to 10 ⁇ m and mixed until a homogeneous state. Then, the obtained homogeneous mixture was kept for 2 hours until a homogeneous silicate mass was obtained, which was placed on a tray in a muffle furnace and raised to a temperature of 680 ° C at a rate of 8 ° C / min, at which preliminary swelling was carried out by holding it at this temperature for 20 minutes. After that, the heating elements of the furnace were turned off, and the expanded silicate mass was removed from the furnace and allowed to cool naturally to 40 ° C. As a result of rapid cooling by the described method, multiple cracks appeared in the pre-expanded silicate mass with the separation of several parts of various shapes and sizes.
  • the expanded and cooled silicate mass was crushed using a crusher to a particle size of about 2–3 mm, after which it was crushed to a size of 100 ⁇ m using a mill.
  • the crushed particles of the silicate mass were filled into a rectangular metal mold, closed with a metal lid, placed in a muffle furnace and heated at a temperature of 15 ° C / min to a temperature of 750 ° C, at which they were expanded by holding for 90 minutes. Then the expanded mass was cooled to a temperature of 40 ° C for 6 hours at an average rate of about 2 ° C / min. Then the finished material was removed from the mold.
  • the resulting building material in the form of a block measuring 200x200x50 mm was removed from the mold and cut into several parts.
  • the structure of the material is uniform, the porosity of the material is uniform, there are no voids and seals.
  • the pore size was less than 1 mm, the material density was 140 kg / m 3 , the thermal conductivity coefficient was 0.040 Wt / (m ° C), and the compressive strength was 11 kgf / cm 2 .
  • the resulting building material relates to heat-insulating building materials.
  • the material can be effectively used for thermal insulation of structures of buildings and structures, various industrial installations, equipment, refrigerators, pipelines and vehicles.
  • the initial mixture was prepared from the same components as in example 1.
  • tripoli was dried in a drying chamber to a moisture content of 10%, crushed to a fraction of 2–3 mm, and crushed to a size of 300 ⁇ m using a mill. Then, the starting components were mixed and mixed to a homogeneous state.
  • the ratio of caustic soda to tripoli was 0.15.
  • the ratio of the total content of tripoli and caustic soda to the water content was 1.6.
  • the resulting homogeneous mixture was aged for 3 hours to obtain a silicate mass, and then placed in a furnace preheated to a temperature of 450 ° C and heated to a temperature of 720 ° C, at which preliminary swelling was carried out for 40 minutes.
  • the heating rate of the silicate mass averaged about 4 ° C / min.
  • the heating elements of the furnace were turned off, the door of the furnace was opened and the sample was allowed to cool to 200 ° C, after which the expanded material was cured from the furnace and naturally cooled to temperature 50 ° C.
  • the expanded and cooled silicate mass was crushed using a crusher to a particle size of about 2–3 mm, after which it was crushed to a size of 700 ⁇ m using a mill.
  • a rectangular metal mold was filled with crushed particles of a silicate mass, closed with a metal lid, placed in a muffle furnace and heated to an average temperature of 10 ° C / min to a temperature of 720 ° C, at which they were expanded by holding for 90 minutes. Then the expanded mass was cooled to a temperature of 40 ° C for 16 hours at an average rate of about 0.7 ° C / min.
  • the resulting building material in the form of a block measuring 400> ⁇ 400 ⁇ 120 mm was removed from the mold and cut into several parts.
  • the structure of the material is uniform, the porosity of the material is uniform, there are no voids and seals.
  • the pore size was 1-1.5 mm, the density of the material was 410 kg / m 3 , the thermal conductivity was 0.11 W / (m ° C), and the compressive strength was 107 kgf / cm 2 .
  • the resulting building material relates to structural building materials.
  • the material can be effectively used as a supporting building material for the construction of low-rise residential, administrative and industrial buildings and structures. Moreover, additional thermal insulation of structures made of this material is not required.
  • the mineralogical composition of the flask in wt.%: Opal 90.4 quartz 7.0 mica 0.8 glauconite 1.8
  • An aqueous solution of sodium hydroxide concentration of 46% was used as the alkaline component.
  • the flask was dried in a drying chamber to a moisture content of 6%, crushed to a fraction of 2–3 mm and crushed to a size of 250 ⁇ m using a mill. Then, the starting components were mixed and mixed to a homogeneous state. The ratio of caustic soda to flask was 0.25. The ratio of the total content of flask and caustic soda to the water content was 1.4. The prepared homogeneous mixture was aged for 2.5 hours to obtain a silicate mass.
  • the obtained silicate mass was placed on a pallet in a muffle furnace preheated to 430 ° C, and at a rate of 6 ° C / min the temperature was raised to 710 ° C, at which preliminary swelling was carried out by holding at this temperature for 30 minutes. After that, the heating elements of the furnace were turned off, the door of the furnace was opened, and the sample was allowed to cool to 100 ° C. Then, the expanded material was cured from the furnace and naturally cooled to a temperature of 35 ° C.
  • the expanded and cooled silicate mass was crushed with a crusher to a particle size of about 2–3 mm, and then crushed to a size of 150 ⁇ m using a mill.
  • the crushed particles of the silicate mass were filled into a rectangular metal mold, closed with a metal lid, placed in a muffle furnace and heated at a temperature of 11 ° C / min to a temperature of 750 ° C, at which they were expanded by holding for 60 minutes. Then the expanded mass was cooled to a temperature of 40 ° C for 20 hours at an average speed of about 0.6 ° C / min.
  • the resulting building material in the form of a block 400x400x120 mm in size was removed from the mold and cut into several parts.
  • the structure of the material is uniform, the porosity of the material is uniform, there are no voids and seals.
  • the pore size was about 1 mm, the density of the material was 230 kg / m 3 , the thermal conductivity was 0.072 W / (m- ° C), and the compressive strength was 31 kgf / cm 2 .
  • the resulting building material relates to structural building materials.
  • the material can be effectively used as a self-supporting building material for laying walls of low-rise and multi-story frame residential, administrative and industrial buildings and structures. It does not require additional thermal insulation of structures made of this material. If necessary, the material can be used as thermal insulation.
  • Example 4
  • diatomite was dried in a drying chamber to a moisture content of 3%, crushed to a fraction of 2–3 mm, and crushed to a size of 315 ⁇ m using a mill. Then, the starting components were mixed and mixed to a homogeneous state. The ratio of caustic soda to diatomite was 0.20. The ratio of the total content of diatomite and caustic soda to the water content was 1.4. The prepared homogeneous mixture was aged for 2 hours to obtain a silicate mass.
  • the obtained silicate mass was placed on a pallet in a muffle furnace and at a temperature of 9 ° C / min, the temperature was raised to 770 ° C, at which preliminary swelling was carried out by holding at this temperature for 5 minutes. After that, the heating elements of the furnace were turned off and the sample was allowed to cool down to 230 ° C with natural slow cooling. Then, the expanded material was cured from the furnace and naturally cooled to a temperature of 4O 0 C. In the expanded silicate mass cooled by the described method, several cracks appeared without separation into parts.
  • the expanded and cooled silicate mass was crushed with a crusher to a particle size of about 2 - 3 mm, and then crushed to a size of about 1 mm using a mill.
  • a rectangular metal mold was filled with crushed particles of a silicate mass, closed with a metal lid, placed in a muffle furnace and heated to a temperature of 960 ° C / min to a temperature of 760 ° C, at which swelling was carried out by holding for 105 minutes. Then the expanded mass was cooled to a temperature of 40 0 C for 17 hours at an average speed of about 0.7 ° C / min.
  • the resulting building material in the form of a block measuring 400 x 400 x 120 mm was removed from the mold and cut into several parts.
  • the structure of the material is uniform, the porosity of the material is uniform, there are no voids and seals.
  • the pore size was about 1 - 2 mm, the density of the material was 340 kg / m 3 , the thermal conductivity was 0.091 W / (m- ° C), and the compressive strength was 47 kgf / cm 2 .
  • the resulting building material relates to structural building materials.
  • the material can be effectively used as a self-supporting building material for laying the walls of low-rise and multi-story frame residential, administrative and industrial buildings and structures.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
  • Building Environments (AREA)
  • Porous Artificial Stone Or Porous Ceramic Products (AREA)

Abstract

2, получают способом, в котором силикатную массу, приготовленную на основе кремнеземсодержащего компонента (диатомит, трепел, опока и др.), щелочи и воды, подвергают предварительному вспучиванию, последующему измельчению, а затем окончательному вспучиванию в диапазоне температур от 450°C до 900°C. Полученный материал является негорючим, экологически чистым, био-, влаго- и морозостойким.

Description

СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
Область техники
Изобретение относится к области строительной индустрии, в частности, к строительному материалу и способу его получения.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время достаточно актуальна задача получения дешевых пористых неорганических строительных материалов из широко распространенных полезных ископаемых. Таким широко распространенным сырьем могут служить кремнистые породы, в т.ч. диатомиты, трепела, опоки. Сами по себе кремнистые породы практически не вспучиваются, а температуры их плавления достаточно высоки. Однако кремнистые породы в смеси со щелочью и водой образуют силикатные массы, которые при температуре 45O0C и выше переходят в расплавы и вспучиваются. Вспученная масса после охлаждения дает пористый неорганический материал. Размер пор в материале зависит от пластично-вязких свойств расплава силикатной массы, ее состава и температуры вспучивания. Основу процесса составляет термохимическое вспучивание силикатной массы за счет водяного пара, образующегося из химически связанной воды, содержащейся в силикатной массе. Описанный подход лежит в основе получения пористых строительных материалов и способов их получения.
Известен строительный материал и способ его получения по патенту RU 2053984. Известный строительный материал получают из исходной смеси, содержащей кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент, цинкосодержащую добавку и воду при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,4 до 0,5 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды в диапазоне значений от 0,7 до 2,5. В качестве кремнеземсодержащего компонента используют трепел, диатомит или опоку, в качестве щелочного компонента - гидроксид натрия, в качестве цинкосодержащей добавки - оксид цинка, сульфат цинка или хлорид цинка, в качестве воды - водопроводную воду. Получаемый материал имеет плотность от 134 до 302 кг/м3, коэффициент теплопроводности от 0,074 до 0,098 Bт/(м-°C) и прочность на сжатие от 2 до 10 кгс/см2. Материал имеет невысокое качество из-за неоднородной пористости, а именно, наблюдается значительный разброс пор по их размерам, а также наличие пустот и уплотнений в структуре материала. Указанное низкое качество материала определяет недостаточно хорошее сочетание вышеперечисленных характеристик, а именно, его плотности, прочности на сжатие и коэффициента теплопроводности. В частности, материал плотностью 134 кг/м3 имеет достаточно низкую прочность на сжатие в размере 2 кгс/см2 и очень высокое (для данной плотности) значение коэффициента теплопроводности 0,074 Bт/(м-°C). С другой стороны, материал плотностью 302 кг/м3 при относительно приемлемом значении коэффициента теплопроводности 0,098 Bт/(м-°C) имеет достаточно низкое значение прочности на сжатие в размере 10 кгс/см2. Перечисленные недостатки препятствуют организации промышленного производства и ограничивают широкое применение этого материала. Способ получения материала заключается в том, что смешивают кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент, цинкосодержащий компонент и воду с получением исходной смеси, в которой отношение содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента находится в диапазоне значений от 0,4 до 0,5 и отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды находится в диапазоне значений от 0,7 до 2,5. Указанную смесь перемешивают до получения гомогенной массы, в которой происходят реакции силикатообразования с получением силикатной массы. Полученной силикатной массой заполняют формы, нагревают ее до температуры 350 - 400°C, при которой наблюдается вспучивание массы, с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из форм готового строительного материала. Вспучивание силикатной массы обеспечивается за счет водяного пара, который образуется из воды, получаемой при частичной дегидратации в указанном температурном интервале некоторых видов гидроксидов, содержащихся в силикатной массе. Также в процессе вспучивания участвуют газы, образующиеся при выгорании и химическом взаимодействии различных примесей, содержащихся в силикатной массе. Недостатком этого способа является невысокое качество получаемого материала, проявляющееся в неоднородной пористости и неудовлетворительном сочетании характеристик материала - плотности, прочности на сжатие и коэффициента теплопроводности. Названный недостаток объясняется тем, что в процессе вспучивания участвуют не только гидроксильные группы силикатной массы, но и газы, являющиеся результатом других реакций.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является строительный материал и способ его получения по патенту RU 2154618. Известный строительный материал получают из исходной смеси, включающей кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент и воду с отношением содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента в диапазоне значений от 0,4 до 0,5, суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и щелочного компонента к содержанию воды в диапазоне значений от 2,3 до 3,3. В качестве кремнеземсодержащего компонента используют трепел, диатомит или опоку, в качестве щелочного компонента - гидроксид натрия, в качестве воды - водопроводную воду. Получаемый материал имеет плотность от 100 до 300 кг/м3, коэффициент теплопроводности от 0,071 до 0,085 Bт/(м °C) и прочность на сжатие от 2 до 14 кгс/см2. Материал имеет невысокое качество из-за неоднородной пористости, а именно, наблюдается значительный разброс пор по их размерам, а также наличие пустот и уплотнений в структуре материала. Указанное низкое качество материала определяет недостаточно хорошее сочетание вышеперечисленных характеристик, а именно, его плотности, прочности на сжатие и коэффициента теплопроводности. В частности, материал плотностью 100 кг/м3 при приемлемой прочности на сжатие в размере 2 кгс/см2 имеет достаточно высокое (для данной плотности) значение коэффициента теплопроводности 0,071 Bт/(м °C). С другой стороны, материал плотностью 300 кг/м3 при хорошем значении коэффициента теплопроводности 0,085 Bт/(м °C) имеет достаточно низкое значение прочности на сжатие в размере 14 кгс/см2. Перечисленные недостатки препятствуют организации промышленного производства и ограничивают широкое применение этого материала.
Способ получения материала заключается в том, что смешивают кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент и воду с получением исходной смеси, в которой отношение содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента находится в диапазоне значений от 0,40 до 0,50 и отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды находится в диапазоне значений от 2,3 до 3,3. Процесс проведения реакций силикатообразования сопровождается перемешиваем исходной смеси в течение 10 - 20 минут. Полученной силикатной массой заполняют формы и подвергают термической обработке в диапазоне температур 40 - 60°C в течение 30 - 60 минут с последующим ее нагревом со скоростью 50 - 150 °C/мин до температуры вспучивания в диапазоне 800-900°C и выдерживают в течение 20 - 30 минут с последующим охлаждением до температуры окружающей среды и извлечением из форм строительного материала. Вспучивание силикатной массы обеспечивается за счет водяного пара, который образуется из воды, получаемой при дегидратации в указанном температурном интервале некоторых видов гидроксидов, содержащихся в силикатной массе. Также в процессе вспучивания участвуют газы, образующихся при выгорании и химическом взаимодействии различных примесей, содержащихся в силикатной массе. Отмечается, что при медленном нагреве (менее 50 °C/мин) получаемый материал имеет высокую плотность (700 кг/м3) из-за того, что в процессе медленного нагрева силикатной массы происходит удаление химически связанной воды из гидроксидов силикатной массы и выделенная вода успевает испариться при температуре до 500°C, т.е. до появления расплава. Недостатком этого способа является невысокое качество получаемого материала, проявляющееся в неоднородной пористости и неудовлетворительном сочетании характеристик материала - плотности, прочности на сжатие и коэффициента теплопроводности. Названный недостаток объясняется тем, что в процессе вспучивания участвуют не только гидроксильные группы силикатной массы, но и газы, являющиеся результатом других реакций. Кроме того, высокая скорость нагрева силикатной массы (50 - 150 °C/мин) создает существенные затруднения для промышленной реализации этого способа.
Задачей изобретения является создание экономически эффективного способа получения строительного материала с улучшенными эксплуатационными характеристиками из широко распространенных кремнистых пород.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается тем, что в способе получения строительного материала, включающем смешение кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,50 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 2,0 с получением гомогенной силикатной массы, заполнение формы силикатной массой, нагрев её до температуры вспучивания, охлаждение вспученной силикатной массы до температуры окружающей среды и извлечение из формы готового строительного материала, перед заполнением формы силикатную массу подвергают предварительному вспучиванию путем нагрева ее до температуры вспучивания, охлаждению и измельчению, при этом охлаждение вспученной массы перед извлечением её из формы осуществляют с постепенным снижением температуры, обеспечивающим разницу температур на поверхности и в центре вспученного материала, исключающую образование трещин в материале. Причем температура вспучивания силикатной массы находится в интервале температур от 450°C до 900°C, а предварительно вспученную силикатную массу охлаждают естественным путем в условиях окружающей среды или с помощью принудительного охлаждения так, что разница температур на поверхности и в центре вспученного материала обеспечивает образование во вспученном материале множественных трещин. Преимущественно, предварительно вспученную силикатную массу измельчают до размера частиц менее 3 мм. Перед предварительным вспучиванием силикатную массу можно гранулировать.
Поставленная задача решается также тем, что строительный материал, полученный из исходной смеси, включающей кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент и воду при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,50 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 2,0, получен указанным выше способом и имеет плотность от ПО до 700 кг/м3 при коэффициенте теплопроводности от 0,035 до 0,17 Bт/(м-°C) и прочности на сжатие от 2 до 300 кгс/см2.
При отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента менее 0,08 получаемый материал имеет повышенную плотность, более 700 кг/м3 и повышенный коэффициент теплопроводности, более 0,17 Bт/(м °C). В случае если значение указанного соотношения составит более 0,50, стоимость материала становится недопустимо высокой по причине высокого содержания дорогостоящего щелочного компонента.
При отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и щелочного компонента к содержанию воды более 2,0 недостаток воды сказывается на качестве протекания реакций силикатообразования, а также затрудняет процесс гомогенизации исходной смеси.
С другой стороны, отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и щелочного компонента к содержанию воды должно составлять, не менее 0,8. В случае, если значение указанного соотношения составит менее 0,8 существенную роль начинают играть затраты на последующее удаление излишков воды.
Рекомендуется использовать указанное соотношение в интервале 1,2 - 1 ,6, что, с одной стороны, обеспечивает эффективную гомогенизацию смеси и протекание реакций силикатообразования в ней, а с другой стороны - приемлемые энергозатраты на удаление физической воды на последующих этапах реализации способа.
Строительный материал, согласно изобретению, имеет однородную структуру, равномерную пористость, в нем отсутствуют пустоты, уплотнения и другие дефекты. Высокая пористость, небольшие размеры пор и однородная структура обеспечивают материалу лучшие, недостижимые ранее, сочетания значений плотности, прочности на сжатие, коэффициента теплопроводности. Материал такого качества имеет широкое промышленное применение. Он может использоваться в строительстве как в качестве теплоизоляционного, так и в качестве конструкционного материала.
Материал, согласно изобретению, как теплоизоляционный материал, может использоваться для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, различных промышленных установок, аппаратуры, холодильников, трубопроводов и транспортных средств.
Материал, согласно изобретению, как конструкционный материал, может использоваться для выполнения самонесущих ограждений и перемычек при возведении малоэтажных и высотных жилых, административных и промышленных зданий и сооружений, а также как несущий строительный материал для возведения малоэтажных жилых, административных и промышленных зданий и сооружений. При этом дополнительная теплоизоляция конструкций, выполненных из этого материала, не требуется.
Варианты осуществления изобретения
В качестве кремнеземсодержащего компонента для приготовления исходной смеси используют органогенные, хемогенные и криптогенные кремнистые породы: диатомиты, спонголиты, радиоляриты, силикофлагеллиты, опоки, трепела, цеолиты, кремнистые суглинки и их переходные разновидности, в том числе с глинистой составляющей в виде монтмориллонитовой, монтмориллонит-гидрослюдистой, каолинит-монтмориллонитовой, каолинит-гидрослюдистой ассоциациями. Также в качестве кремнеземсодержащего компонента могут выступать кремнистые отвалы техногенного происхождения, в частности, микрокремнезем (побочный продукт металлургического производства при выплавке ферросилиция и его сплавов) и зола, являющаяся продуктом сгорания печного топлива на основе рисовой лузги (шелухи). Кроме того, в качестве кремнеземсодержащего компонента могут выступать смеси вышеперечисленных кремнистых пород между собой, а также с кремнистыми техногенными побочными продуктами и отвалами, например, трепел (и/или диатомит и/или опока и т.д.) с микрокремнеземом. Содержание аморфного кремнезема в кремнеземсодержащем компоненте должно быть не менее 20 мac.%. В качестве породообразующего минерала кремнеземсодержащего компонента обычно выступает опал.
Кремнеземсодержащий компонент вводится в исходную смесь в тонкодисперсном состоянии. Малые размеры частиц создают условия для качественного процесса силикатообразования, что в свою очередь закладывает основу для получения качественного строительного материала. Рекомендуемый размер частиц кремнеземсодержащего компонента менее 300 мкм. Большие размеры частиц кремнеземсодержащего компонента могут ухудшать протеканий реакций силикатообразования и тем самым негативно влиять на качество готовой продукции.
Для приведения кремнеземсодержащего компонента в тонкодисперсное состояние можно использовать методы как сухого, так и влажного измельчения. Предпочтительно влажное измельчение или растирание, т.к. оно позволяет использовать кремнеземсодержащий компонент естественной влажности и исключить необходимость предварительной его сушки, что экономит соответствующие энергозатраты.
В качестве щелочного компонента используют гидроксид натрия или гидроксид калия. При этом щелочной компонент вводится в форме водного раствора. Рекомендуется использовать промышленно выпускаемые растворы.
В качестве воды используют водопроводную воду или воду, предназначенную для приготовления строительных растворов. Для обеспечения требуемых пропорций компоненты исходной смеси вводятся в смеситель с помощью дозаторов. Полученную исходную смесь перемешивают в смесителе до получения гомогенной массы, которую выдерживают до завершения реакций силикатообразования с получением силикатной массы. Рекомендуемый срок выдержки составляет около 2 часов. Для ускорения реакций силикатообразования и улучшения свойств массу можно перемешивать с помощью кавитационного оборудования. Также с целью ускорения силикатообразования и улучшения свойств массу можно подогревать (например, подвергать обработке в термокамере). Также можно подогревать все или один из компонентов исходной смеси перед их смешиванием.
Полученная силикатная масса, размещенная на поддонах или на конвейере, подвергается предварительному вспучиванию в печи при температуре вспучивания. Температура предварительного вспучивания зависит от химического и минералогического состава исходного кремнеземсодержащего компонента, от соотношения щелочного и кремнеземсодержащего компонентов в исходной смеси и находится в температурном интервале 450 - 900°C. Скорость нагрева силикатной массы и срок ее выдержки при температуре вспучивания зависит от многих факторов и, в частности, от толщины слоя силикатной массы. Эти параметры (скорость нагрева и срок выдержки), с одной стороны, должны обеспечить полный и равномерный прогрев силикатной массы, а с другой - минимальное время выдержки при температуре вспучивания. Обычно скорость нагрева находится в интервале от 1 до 16 °C/мин, а срок выдержки - от 5 до 150 минут. На этом этапе вспучивание происходит за счет воды, выделяющейся при дегидратации некоторых гидроксидов, а также газов, образующихся при выгорании и химическом взаимодействии различных примесей, содержащихся в силикатной массе. Таким образом, предварительное вспучивание позволяет нейтрализовать вредные для качества конечного материала вспучивающие факторы и заложить основы для получения качественного материала при окончательном вспучивании. Полный и равномерный прогрев массы обеспечивает гарантированное удаление вредных вспучивающих факторов, а минимальное время выдержки при температуре вспучивания позволяет максимально сохранить основной вспучивающий фактор - гидроксильные группы.
С целью повышения эффективности процесса желательно гранулировать силикатную массу и в таком виде подвергать ее предварительному вспучиванию. Кроме того, вспученные гранулы могут являться самостоятельным засыпным теплоизоляционным продуктом.
Охлаждение предварительно вспученного материала рекомендуется производить при разнице температуры на поверхности и в центре материала, вызывающей образование в нем множественных трещин. Это позволит экономить энергозатраты на последующее измельчение. Кроме того, общий технологический цикл будет короче за счет быстрого охлаждения предварительно вспученного материала. Развитое трещинообразование вплоть до разрушения на отдельные части в отдельных случаях можно обеспечить простым охлаждением в условиях окружающей среды. С целью ускорения охлаждения и увеличения количества трещин и разрушений вспученной массы возможно применение принудительного охлаждения вентиляторами или другими способами. В некоторых случаях охлаждение предварительно вспученного материала требуется проводить медленно со скоростью естественного остывания печи вспучивания. Это определяется химическим и минералогическим составом исходного кремнеземсодержащего компонента, а также процессами, протекающими в предварительно вспученном материале при его охлаждении.
Материал, полученный при предварительном вспучивании, подвергают измельчению в дробилке и/или мельнице. В случае использовании мельницы при необходимости материал перед подачей в мельницу можно подвергнуть дроблению до размера кусков, с которыми работает мельница принятого типа. Материал измельчают до размера частиц основной фракции менее 3 мм. Измельчение требуется для обеспечения равномерной структуры готового материала, а также для равномерной укладки силикатной массы в форме. В случае частиц большего размера (более 3 мм) возможно ухудшение качества материала. Рекомендуется проводить измельчение до размера частиц основной фракции менее 0,8 мм. При таком измельчении обеспечивается хорошее соотношение между энергозатратами на измельчение и получаемыми эксплуатационными характеристиками материала. В некоторых случаях для обеспечения качества готовой продукции требуется измельчение материала до размера частиц 300 мкм и менее. Это определяется химическим и минералогическим составом исходного кремнеземсодержащего компонента, а также целевыми характеристиками конечного продукта. Формы заполняют измельченными частицами предварительно вспученного материала, которые при вспучивании обеспечат получение требуемой формы строительного материала. С помощью форм строительному материалу могут придаваться различные формы блоков с различными габаритами, например, в форме сегментов, скорлуп для утепления трубопроводов и т.п.
Измельченный материал, заполняющий формы, подвергают температурному воздействию при температуре вспучивания в печи вспучивания. Вспучивание обеспечивается за счет дегидратации гидроксидов. Вода, образующаяся в результате дегидратации, превращается в пар, который обеспечивает образование пор в силикатной массе, т.е. ее вспучивание. При вспучивании первоначальный объем, занимаемый силикатной массой, увеличивается в несколько раз. Также как и в случае предварительного вспучивания, температура вспучивания зависит от химического и минералогического состава исходного кремнеземсодержащего компонента, от соотношения щелочного и кремнеземсодержащего компонентов в исходной смеси и находится в температурном интервале 450 - 900°C. Скорость нагрева силикатной массы и срок ее выдержки при температуре вспучивания зависит от многих факторов и, в частности, от толщины слоя силикатной массы. Эти параметры (скорость нагрева и срок выдержки), с одной стороны, должны обеспечить полный и равномерный прогрев силикатной массы, с другой - равномерное вспучивание до заданной плотности готового материала. Обычно скорость нагрева находится в интервале от 1 до 16 °C/мин, а срок выдержки - от 20 до 150 минут. Конечные свойства материала зависят от скорости нагрева массы, температуры и времени ее вспучивания. Поэтому, для получения материала заданной плотности требуется подбор температурно- временного графика вспучивания.
Соотношение температурно-временных характеристик выдержки силикатной массы при предварительном и окончательном вспучивании в значительной степени определяется химическим и минералогическим составом исходного кремнеземсодержащего компонента, а также соотношением компонентов в исходной смеси. В одних случаях температура вспучивания должна обязательно превышать температуру предварительного вспучивания, в других случаях это необязательно, т.е. температуры предварительного и окончательного вспучивания могут совпадать либо температура предварительного вспучивания может быть выше температуры окончательного вспучивания. Кроме того, свойствами готового строительного материала можно управлять, подбирая соотношения сроков выдержки силикатной массы на этапах предварительного и окончательного вспучивания.
Соотношения температур и сроков на этапе вспучивания при предварительном и окончательном вспучивании определяется вязкостью расплава и энергетическими уровнями дегидратации гидроксидов силикатной массы. Вязкость расплава определяет количество образовавшихся пузырьков в единицу времени, а энергетические уровни дегидратации гидроксидов контролируют степень потери основного вспучивающего фактора (гидроксильных групп) при предварительном вспучивании. Энергетические уровни дегидратации гидроксидов определяются минералогическим составом исходного кремнеземсодержащего компонента.
Таким образом, предварительное вспучивание можно определить как прерванное вспучивание, назначением которого является освобождение силикатной массы от вредных вспучивающих факторов с максимальным сохранением основного вспучивающего фактора (гидроксильных групп). Сохранение гидроксильных групп обеспечивается посредством управления вязкостью расплава и энергетическими уровнями дегидратации гидроксидов силикатной массы.
Охлаждение готового материала проводят с постепенным снижением температуры, обеспечивающим разницу температуры на поверхности и в центре материала, исключающую образование в нем трещин. В противном случае, материал разрушится или растрескается. Скорость охлаждения материала в значительной мере зависит от его габаритов - чем крупнее материал, тем ниже скорость его охлаждения, и наоборот. Для конкретной технологической линии режим охлаждения материала разрабатывается индивидуально. Скорость охлаждения зависит в основном от габаритов блока вспученной массы и, прежде всего, от толщины блока вспученного материала. Другой фактор, влияющий на скорость охлаждения - теплопроводность материала.
Экспериментальным путем установлено, что скорость (°C/мин) охлаждения блока продукции может быть рассчитана по следующей эмпирической формуле:
V=150/h2, где h - высота блока продукции в см.
Скорость охлаждения блока продукции, рассчитанная по вышеуказанной формуле, обычно обеспечивает получение качественной продукции, исключающей наличие трещин с сохранением прочности и водопоглощения материала. Однако в некоторых случаях требуется уменьшать расчетную скорость до 2 - 3 раз, чтобы добиться высокого выхода качественной продукции. Обычно это требуется при толщине блока менее 10 см. В других случаях возможно увеличение скорости до 1,5 - 2 раз без потери качества продукции. Обычно это возможно при толщине блока продукции выше 25 см.
Приведенная зависимость может применяться для всего интервала температур при охлаждении блока, т.е. от температуры вспучивания до 30 - 40°C. В интервалах температур охлаждения - от температуры вспучивания до 6000C и от 1500C до 30 - 400C может применяться повышенная скорость охлаждения, равная 2 - 4 расчетным скоростям.
Полученный строительный материал извлекается из форм и может использоваться по назначению. При необходимости материал может быть разрезан на изделия требуемых форм и размеров.
Можно получать строительный материал различного цвета. Для этих целей в исходную смесь в зависимости от требуемого цвета добавляют соли различных металлов.
Полученный строительный материал относится к неорганическим, негорючим, экологически чистым, механически прочным, био-, атмосферо- кислото-, влаго- и морозостойким, долговечным и эффективным строительным и теплоизоляционным материалам с низкой теплопроводностью.
Материал может использоваться для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, различных промышленных установок, аппаратуры, холодильников, трубопроводов и транспортных средств. Также материал может использоваться в качестве конструкционно-теплоизоляционного для возведения конструкций зданий и сооружений, выполняя одновременно и конструкционную и теплоизоляционную функции.
При необходимости, материал может производиться не только в штучном (блоки, плиты, скорлупы), но так же и в сыпучем (гранулы) виде.
Другие цели и преимущества изобретения станут более понятны из следующих конкретных примеров его осуществления.
Пример 1.
В качестве кремнеземсодержащего компонента взят цеолитсодержащий трепел природного месторождения следующего химического состава, в мac.%: SiO2 65,7
Al2O3 8,9
CaO 8,5
Fe2O3 0,3 прочие 16,6
Минералогический состав цеолитсодержащего трепела, в мac.%: опал 28 кварц 16 цеолит 38 монтмориллонит 12 кальцит 5 слюда 1
В качестве щелочного компонента использован водный раствор едкого натра концентрации 46%.
В качестве воды использована водопроводная вода.
Для приготовления исходной смеси едкий натр взят в количестве 0,5 по отношению к трепелу. Отношение суммарного содержания трепела и едкого натра к содержанию воды составило 1,2. В расчет количества воды включается вода, входящая в раствор едкого натра, а также вода, составляющая естественную (карьерную) влажность трепела.
Указанную исходную смесь с помощью растирателя растерли до размера частиц 5 - 10 мкм и перемешали до гомогенного состояния. Затем полученную гомогенную смесь выдержали 2 часа до получения гомогенной силикатной массы, которую на поддоне поместили в муфельную печь и со скоростью 8 °C/мин подняли температуру до 680°C, при которой провели предварительное вспучивание посредством выдержки на этой температуре в течение 20 минут. После этого нагревательные элементы печи были выключены, а вспученную силикатную массу извлекли из печи, и дали ей остыть естественным образом до 40°C. В результате быстрого охлаждения описанным способом в предварительно вспученной силикатной массе появились множественные трещины с отделением нескольких частей различной формы и размеров. Вспученная и остывшая силикатная масса с помощью дробилки была раздроблена до размера частиц около 2 - 3 мм, после чего с помощью мельницы измельчена до размера 100 мкм. Измельченными частицами силикатной массы заполнили прямоугольную металлическую форму, закрыли металлической крышкой, поместили в муфельную печь и со скоростью 15 °C/мин нагрели до температуры 750°C, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 90 минут. Затем вспученная масса была охлаждена до температуры 40°C в течение 6 часов со средней скоростью около 2 °C/мин. После чего готовый материал был извлечен из формы.
Полученный строительный материал в виде блока размером 200x200x50 мм был извлечен из формы и разрезан на несколько частей. Структура материала однородная, пористость материала равномерная, отсутствуют пустоты и уплотнения. Размер пор составил менее 1 мм, плотность материала составила 140 кг/м3, коэффициент теплопроводности - 0,040 Bт/(м-°C), прочность на сжатие - 11 кгс/см2.
Полученный строительный материал относится к теплоизоляционным строительным материалам. Материал может эффективно использоваться для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, различных промышленных установок, аппаратуры, холодильников, трубопроводов и транспортных средств.
Пример 2.
Исходная смесь приготовлена из тех же компонентов, что и в примере 1.
Перед получением исходной смеси трепел был высушен в сушильной камере до влажности 10%, раздроблен до фракции 2 - 3 мм и с помощью мельницы измельчен до размера 300 мкм. Затем исходные компоненты были смешены и перемешены до гомогенного состояния. Отношение едкого натра к трепелу составило 0,15. Отношение суммарного содержания трепела и едкого натра к содержанию воды составило 1,6.
Полученная гомогенная смесь была выдержана в течение 3 часов с получением силикатной массы, а затем помещена в предварительно нагретую до температуры 4500C печь и нагрета до температуры 720°C, при которой в течение 40 минут было проведено предварительное вспучивание. Скорость нагрева силикатной массы составила в среднем около 4 °C/мин. Затем нагревательные элементы печи были выключены, дверцу печи открыли и дали остыть образцу до 200°C, после чего вспученный материал был излечен из печи и охлажден естественным образом до температуры 50°C. Вспученная и остывшая силикатная масса с помощью дробилки была раздроблена до размера частиц около 2 - 3 мм, после чего с помощью мельницы измельчена до размера 700 мкм. Измельченными частицами силикатной массы заполнили прямоугольную металлическую форму, закрыли металлической крышкой, поместили в муфельную печь и со средней скоростью 10 °C/мин нагрели до температуры 720°C, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 90 минут. Затем вспученная масса была охлаждена до температуры 40°C в течение 16 часов со средней скоростью около 0,7 °C/мин.
Полученный строительный материал в виде блока размером 400><400χ120 мм был извлечен из формы и разрезан на несколько частей. Структура материала однородная, пористость материала равномерная, отсутствуют пустоты и уплотнения. Размер пор составил 1 - 1,5 мм, плотность материала составила 410 кг/м3, коэффициент теплопроводности - 0,11 Bт/(м °C), прочность на сжатие — 107 кгс/см2.
Полученный строительный материал относится к конструкционным строительным материалам. Материал может эффективно использоваться как несущий строительный материал для возведения малоэтажных жилых, административных и промышленных зданий и сооружений. При этом дополнительная теплоизоляция конструкций, выполненных из этого материала, не требуется.
Пример 3.
В качестве кремнеземсодержащего компонента взята опока природного месторождения следующего химического состава, в мac.%:
SiO2 87,2
Al2O3 2,6
CaO 2,4
Fe2O3 1,2 прочие 6,6
Минералогический состав опоки, в мac.%: опал 90,4 кварц 7,0 слюда 0,8 глауконит 1,8 В качестве щелочного компонента использован водный раствор едкого натра концентрации 46%.
В качестве воды использована водопроводная вода.
Перед получением исходной смеси опока была высушена в сушильной камере до влажности 6%, раздроблена до фракции 2 - 3 мм и с помощью мельницы измельчена до размера 250 мкм. Затем исходные компоненты были смешены и перемешены до гомогенного состояния. Отношение едкого натра к опоке составило 0,25. Отношение суммарного содержания опоки и едкого натра к содержанию воды составило 1,4. Приготовленная гомогенная смесь была выдержана в течение 2,5 часов с получением силикатной массы.
Полученную силикатную массу на поддоне поместили в муфельную печь, предварительно нагретую до 430°C, и со скоростью 6 °C/мин подняли температуру до 710°C, при которой провели предварительное вспучивание посредством выдержки на этой температуре в течение 30 минут. После этого нагревательные элементы печи были выключены, дверцу печи открыли, и дали остыть образцу до 100°C. Затем вспученный материал был излечен из печи и охлажден естественным образом до температуры 35°C.
Вспученная и остывшая силикатная масса с помощью дробилки была раздроблена до размера частиц около 2 - 3 мм, после чего с помощью мельницы измельчена до размера 150 мкм. Измельченными частицами силикатной массы заполнили прямоугольную металлическую форму, закрыли металлической крышкой, поместили в муфельную печь и со скоростью 11 °C/мин нагрели до температуры 750°C, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 60 минут. Затем вспученная масса была охлаждена до температуры 40°C в течение 20 часов со средней скоростью около 0,6 °C/мин.
Полученный строительный материала в виде блока размером 400x400x120 мм был извлечен из формы и разрезан на несколько частей. Структура материала однородная, пористость материала равномерная, отсутствуют пустоты и уплотнения. Размер пор составил около 1 мм, плотность материала - 230 кг/м3, коэффициент теплопроводности - 0,072 Bт/(м-°C), прочность на сжатие - 31 кгс/см2.
Полученный строительный материал относится к конструкционным строительным материалам. Материал может эффективно использоваться как самонесущий строительный материал для закладки стен малоэтажных и многоэтажных каркасных жилых, административных и промышленных зданий и сооружений. При этом не требуется дополнительной теплоизоляции конструкций, выполненных из этого материала. При необходимости материал может использоваться в качестве теплоизоляционного. Пример 4.
В качестве кремнеземсодержащего компонента взят диатомит природного месторождения следующего химического состава, в мac.%:
SiO2 77,5
Al2O3 10,3
CaO 1,3
Fe2O3 3,8 прочие 7,1.
Минералогический состав диатомита, в мac.%:
опал 55,0 кварц 12,5 цеолит 4,9 монтмориллонит 19,0 слюда 3,5 плагиоклаз + ортоклаз 5,1.
В качестве щелочного компонента использован водный раствор едкого натра концентрации 46%.
В качестве воды использована водопроводная вода.
Перед получением исходной смеси диатомит был высушен в сушильной камере до влажности 3%, раздроблен до фракции 2 - 3 мм и с помощью мельницы измельчен до размера 315 мкм. Затем исходные компоненты были смешены и перемешены до гомогенного состояния. Отношение едкого натра к диатомиту составило 0,20. Отношение суммарного содержания диатомита и едкого натра к содержанию воды составило 1,4. Приготовленная гомогенная смесь была выдержана в течение 2 часов с получением силикатной массы.
Полученную силикатную массу на поддоне поместили в муфельную печь и со скоростью 9 °C/мин подняли температуру до 770°C, при которой провели предварительное вспучивание посредством выдержки на этой температуре в течение 5 минут. После этого нагревательные элементы печи были выключены и с закрытой дверцей путем естественного медленного охлаждения дали остыть образцу до 230°C. Затем вспученный материал был излечен из печи и охлажден естественным образом до температуры 4O0C. Во вспученной силикатной массе, охлажденной описанным способом, появилось несколько трещин без разделения на части.
Вспученная и остывшая силикатная масса с помощью дробилки была раздроблена до размера частиц около 2 - 3 мм, после чего с помощью мельницы измельчена до размера около 1 мм. Измельченными частицами силикатной массы заполнили прямоугольную металлическую форму, закрыли металлической крышкой, поместили в муфельную печь и со скоростью 9 °C/мин нагрели до температуры 7600C, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 105 минут. Затем вспученная масса была охлаждена до температуры 400C в течение 17 часов со средней скоростью около 0,7 °C/мин.
Полученный строительный материал в виде блока размером 400χ400χ120 мм был извлечен из формы и разрезан на несколько частей. Структура материала однородная, пористость материала равномерная, отсутствуют пустоты и уплотнения. Размер пор составил около 1 - 2 мм, плотность материала - 340 кг/м3, коэффициент теплопроводности - 0,091 Bт/(м-°C), прочность на сжатие - 47 кгс/см2.
Полученный строительный материал относится к конструкционным строительным материалам. Материал может эффективно использоваться как самонесущий строительный материал для закладки стен малоэтажных и многоэтажных каркасных жилых, административных и промышленных зданий и сооружений.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ получения строительного материала, включающий получение исходной смеси путём смешивания кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,50 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 2,0, получение гомогенной силикатной массы, заполнение формы силикатной массой, нагрев её до температуры вспучивания, охлаждение вспученной силикатной массы до температуры окружающей среды и извлечение из формы готового строительного материала, отличающийся тем, что перед заполнением формы силикатную массу подвергают предварительному вспучиванию путем нагрева ее до температуры вспучивания, охлаждению и измельчению, при этом охлаждение вспученной массы перед извлечением её из формы осуществляют с постепенным снижением температуры, обеспечивающим разницу температур на поверхности и в центре вспученного материала, исключающую образование трещин в материале.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура вспучивания силикатной массы находится в интервале температур от 450°C до 9000C.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно вспученную силикатную массу охлаждают естественным путем в условиях окружающей среды или с помощью принудительного охлаждения так, что разница температур на поверхности и в центре вспученного материала обеспечивает образование во вспученном материале множественных трещин.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно вспученную силикатную массу измельчают до размера частиц менее 3 мм.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед предварительным вспучиванием силикатную массу гранулируют.
6. Строительный материал, полученный из исходной смеси, включающей кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент и воду при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,50 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 2,0, отличающийся тем, что он получен способом по п. п. 1 - 5 и имеет плотность от ПО до 700 кг/м3 при коэффициенте теплопроводности от 0,035 до 0,17 Bт/(м °C) и прочности на сжатие от
2 до 300 кгс/см2.
PCT/RU2008/000295 2007-05-16 2008-05-13 Строительный материал и способ его получения WO2008143549A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007118294/03A RU2348596C1 (ru) 2007-05-16 2007-05-16 Строительный материал и способ его получения
RU2007118294 2007-05-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008143549A1 true WO2008143549A1 (ru) 2008-11-27

Family

ID=40032142

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000295 WO2008143549A1 (ru) 2007-05-16 2008-05-13 Строительный материал и способ его получения

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2348596C1 (ru)
WO (1) WO2008143549A1 (ru)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2464251C2 (ru) * 2010-10-19 2012-10-20 Учреждение Российской академии наук Институт криосферы Земли Сибирского отделения РАН (ИКЗ СО РАН) Способ получения ячеистого строительного материала
RU2448071C1 (ru) * 2010-10-28 2012-04-20 Валентина Николаевна Чумакова Способ получения теплоизоляционно-конструкционного строительного материала
RU2513807C2 (ru) * 2012-07-23 2014-04-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский центр "Строительство" ОАО "НИЦ "Строительство" Способ получения теплоизоляционных блоков
RU2605982C2 (ru) * 2014-06-09 2017-01-10 Владимир Федорович Васкалов Способ получения гранулированного строительного материала
CN111440006B (zh) * 2019-01-17 2022-02-11 广东金意陶陶瓷集团有限公司 一种发泡陶瓷坯体预热工艺

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2053984C1 (ru) * 1994-11-23 1996-02-10 Нина Володаровна Вараксова Композиция для изготовления теплоизоляционного материала
WO1997033843A1 (fr) * 1996-03-11 1997-09-18 Zakrytoye Aktsionernoye Obshchestvo 'ksv' Materiau de construction thermo-isolant

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2053984C1 (ru) * 1994-11-23 1996-02-10 Нина Володаровна Вараксова Композиция для изготовления теплоизоляционного материала
WO1997033843A1 (fr) * 1996-03-11 1997-09-18 Zakrytoye Aktsionernoye Obshchestvo 'ksv' Materiau de construction thermo-isolant

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007118294A (ru) 2008-11-27
RU2348596C1 (ru) 2009-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2333176C1 (ru) Способ получения строительного материала
CA2632760C (en) Engineered low-density heterogeneous microparticles and methods and formulations for producing the microparticles
CA3113701A1 (en) Sintered geopolymer compositions and articles
RU2300506C1 (ru) Строительный материал и способ его получения
US7150843B2 (en) Process for the production of a shaped article from a lightweight-aggregate granulate and a binder
RU2397967C1 (ru) Способ получения полуфабриката для изготовления строительных материалов
RU2348596C1 (ru) Строительный материал и способ его получения
DE102014003104A1 (de) Alkali-Alumosilikat-Schaum- oder -Blähmassen oder -körper sowie Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung
CN112592156B (zh) 发泡陶瓷及其制备方法和应用
Goltsman et al. Production of foam glass materials from silicate raw materials by hydrate mechanism
Islam et al. Effect of soda lime silica glass waste on the basic properties of clay aggregate
WO2010140919A1 (ru) Способ получения гранулированного теплоизоляционного материала
Erdoğan Inexpensive intumescent alkali-activated natural pozzolan pastes
HU222625B1 (hu) Eljárás hższigetelż építżanyag elżállítására
Al-Saadi et al. Foaming geopolymers preparation by alkali activation of glass waste
RU2442762C1 (ru) Способ изготовления легковесного керамического теплоизоляционного и теплоизоляционно-конструкционного материала
CN101948328B (zh) 结晶陶瓷防火吸音制品及其制备方法
RU2592909C2 (ru) Пористый материал на основе кремнезема и портландита для заполнения изолирующего кирпича с контролируемой структурой и соответствующий способ получения
CN105271778B (zh) 一种彩色轻质多孔玻璃颗粒及其制备方法
Al-Saadi et al. The influence of graphite additions on the properties of foamed geopolymers based on glass waste
CN104310940B (zh) 一种人造珍珠岩与膨化制品及其制备方法
Yu Influence of silica fume on the production process and properties of porous glass composite
RU2452704C2 (ru) Способ получения полуфабриката для изготовления строительного материала
RU2671582C1 (ru) Способ получения теплоизоляционного материала - пеностекла и шихта для его изготовления
WO2011014097A1 (ru) Способ получения теплоизоляционного и утеплительного материала для строительных изделий

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08779159

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08779159

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1