ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2300506

СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Имя изобретателя: Фащевский Александр Болеславович
Имя патентообладателя: Меркин Николай Александрович (RU); Писарев Борис Васильевич (RU); Фащевский Александр Болеславович
Адрес для переписки: 103735, Москва, ул.Ильинка, 5/2, "СОЮЗПАТЕНТ", пат.пов. О.Ф.Ивановой
Дата начала действия патента: 2006.05.17 

Изобретение относится к строительной индустрии - строительному материалу и способу его получения. Способ получения строительного материала включает смешение кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды при указанном их соотношении, заполнение массой формы и нагрев до температуры вспучивания с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из формы. Массу перед заполнением формы подвергают температурному воздействию до остаточной влажности менее 5 мас.%, измельчению до не более 100 мкм, обеспечивающему размер пор менее 3 мм, после заполнения формы - нагреву до 600°С с частичной дегидратацией, затем нагреву до температуры вспучивания - 650-900°С, остыванию 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. Строительный материал получают указанным выше способом. Изобретение развито в зависимых пунктах. Технический результат - улучшение технологических характеристик.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области строительной индустрии, в частности к строительному материалу и способу его получения.

Задача получения дешевых пористых неорганических строительных материалов из широко распространенных кремнистых пород стоит уже более пятидесяти лет. Проблема состоит в том, что кремнистые породы практически не вспучиваются. В то же время кремнистые породы в смеси с жидким стеклом вспучиваются. При этом температура плавления таких смесей на 460-550°С ниже, чем у исходных кремнистых пород. При температуре 650°С и выше такая смесь становится вязкой, легкоплавкой. Выделяющиеся при этой температуре газы, в частности, водяной пар, вспучивают смесь, которая после охлаждения дает пористый неорганический материал. Размер пор в материале зависит от пластично-вязких свойств смеси, ее состава и температуры вспучивания. В основе рассмотренного подхода лежит термохимическое вспучивание силикатной массы за счет водяного пара, образующегося из физической и химически связанной воды, содержащейся в самой силикатной массе. Описанный подход лежит в основе получения пористых строительных материалов и способов их получения.

Известен строительный материал и способ его получения (см. патент РФ №2053984, С04В 38/02, 1996 г.). Строительный материал получают из исходной смеси, содержащей кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент, цинкосодержащий 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 0,8 до 2,2. 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 пористость 78-89 об.%, плотность от 134 до 302 кг/м3 , коэффициент теплопроводности от 0,074 до 0,098 Вт/(м°С) и прочность при сжатии 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 хорошие вышеперечисленные характеристики материала, а именно его плотность, прочность при сжатии и коэффициент теплопроводности. В частности, материал плотностью 134 кг/м3 при приемлемой (для данной плотности) прочности при сжатии в размере 2 кгс/см 2 имеет недопустимо высокое (для данной плотности) значение коэффициента теплопроводности 0,074 Вт/(м°С). С другой стороны, материал плотностью 302 кг/м3 при приемлемом значении коэффициента теплопроводности 0,098 Вт/(м°С) имеет достаточно низкое значение прочности при сжатии в размере 10 кгс/см2. Кроме того, материал имеет высокую стоимость вследствие высокого значения отношения щелочного компонента к кремнеземсодержащему компоненту в исходной смеси (0,4-0,5), а также за счет использования в исходной смеси цинкосодержащей добавки. Использование в приготовлении исходной смеси цинкосодержащей добавки не улучшает структуры материала. Перечисленные недостатки препятствуют организации промышленного производства и ограничивают широкое применение этого материала.

Способ получения материала заключается в том, что смешивают кремнеземсо держащий 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 0,8 до 2,2. 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°С, 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 паров воды. Пар образуется из воды, получаемой при частичной дегидратации в указанном температурном интервале некоторых видов гидроксидов, содержащихся в силикатной массе. Также в парообразовании участвует физическая вода, находящаяся в силикатной массе. Недостатком этого способа является невысокое качество получаемого материала, проявляющееся в неоднородности пористости и неудовлетворительном сочетании характеристик материала - плотности, прочности при сжатии и коэффициента теплопроводности. Названный недостаток объясняется тем, что в способе в процессе парообразования участвуют физическая вода и химически связанная вода некоторых видов гидроксидов, дегидратирующихся при температуре вспучивания. Другой фактор, объясняющий низкое качество получаемого материала, состоит в том, что вспучиванию подвергают силикатную массу высокой влажности, отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды находится в диапазоне значений от 0,8 до 2,2, создающей условия для агрегирования ("склеивания") частиц массы, что приводит к образованию пустот, крупных пор и сообщающихся (открытых) пор.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является строительный материал и способ его получения, известный из книги В.Н.Иваненко "Строительные материалы и изделия из кремнистых пород". - Киев: Будiвельнiк:, 1978, 120 с.

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 0,08 до 0,40, суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и щелочного компонента к содержанию воды в диапазоне значений от 1,6 до 5,3. Полученный материал имеет пористость 63-80 об.%, плотность (r) от 300 до 700 кг/м3, коэффициент (l) теплопроводности от 0,14 до 0,29 Вт/(м°С) и прочность при сжатии от 13 до 50 кгс/см2. Материал имеет достаточно высокое значение плотности, менее плотный материал получить не удается. Высокая плотность определяет высокое значение теплопроводности, что ограничивает возможность использования материала в качестве теплоизоляционного материала. Вышеописанный материал имеет невысокое качество из-за низкой и неоднородной пористости, а также из-за наличии пустот и уплотнений в структуре материала. Невысокое качество материала объясняется протеканием процесса парообразования, в котором участвуют физическая вода и химически связанная вода некоторых видов гидроксидов, дегидратирующих при температуре вспучивания. Это, а также подача на вспучивание влажной силикатной массы, приводит к неоднородной пористости и образованию пустот и уплотнений в структуре материала. Низкое качество материала определяет низкие показатели вышеперечисленных характеристик материала, а именно его плотность, прочность при сжатии и коэффициент теплопроводности. В частности, материал плотностью 300 кг/м3 имеет невысокую (для данной плотности) прочность при сжатии порядка 13 кгс/см 2 и недопустимо высокое (для данной плотности) значение коэффициента теплопроводности порядка 0,14 Вт/(м°С). Более тяжелый материал плотностью 550 кг/м3 также имеет недостаточную прочность порядка 27 кгс/см 2 и очень высокое значение коэффициента теплопроводности порядка 0,21 Вт/(м°С). 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 0,08 до 0,40 и отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды находится в диапазоне значений от 1,6 до 5,3. Перед смешиванием из кремнеземсодержащего компонента частично удаляют физическую воду (сушат) и затем измельчают до основной фракции менее 0,14 мм. Смесь исходных компонентов перемешивают и получают гомогенную массу, которую выдерживают не менее двух часов для протекания реакций силикатообразования и получения силикатной массы, которой заполняют формы и нагревают до температуры ее вспучивания в диапазоне температур 650-900С° с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из форм строительного материала. Вспучивание силикатной массы обеспечивается за счет паров воды. Пар образуется из воды, получаемой при частичной дегидратации в указанном температурном интервале некоторых видов гидроксидов, содержащихся в силикатной массе. Также в парообразовании участвует физическая вода, находящаяся в силикатной массе. Недостатком этого способа является невысокое качество получаемого материала, проявляющееся в неоднородности пористости и неудовлетворительном сочетании характеристик материала - плотности, прочности при сжатии и коэффициенте теплопроводности. Указанный недостаток объясняется тем, что в способе в процессе парообразования участвуют одновременно физическая вода и химическая вода некоторых видов гидроксидов, дегидратирующих при температуре вспучивания. Другим фактором, влияющим на низкое качество получаемого материала, является то, что вспучиванию подвергают силикатную массу высокой влажности, отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды находится в диапазоне значений от 1,6 до 5,3. Это создает условия для агрегирования ("склеивания") частиц массы, что приводит к образованию пустот, крупных пор и сообщающихся (открытых) пор.

Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик строительного материала на основе доступных широко распространенных кремнистых пород.

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 0,40 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, 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. Причем отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды составляет, по меньшей мере, 0,8, указанное измельчение осуществляют до размера частиц менее 80 мкм, нагрев до 600°С осуществляют в диапазонах температур до 165°С, от 165 до 220°С, от 230 до 350°С, от 450 до 600°С в любой их последовательности, частичную дегидратацию указанной массы осуществляют за счет дегидратации гидроксидов железа и алюминия, содержащихся в силикатной массе, вспучивание осуществляют за счет окончательного удаления химически связанной воды.

Поставленная задача решается также тем, что строительный материал, полученный из исходной смеси, содержащей кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент и воду 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, получен указанным выше способом и имеет пористость в диапазоне значений от 80 до 95 об.% при плотности от 70 до 400 кг/м3, коэффициенте теплопроводности от 0,035 до 0,14 Вт/м°С и прочности при сжатии от 1 до 100 кгс/см2.

При отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента менее 0,08 получаемый материал имеет пониженную пористость, менее 80%, повышенную прочность, более 400 кг/м3 и повышенный коэффициент теплопроводности, более 0,14 Вт/(м°С). В случае, если значение указанного соотношения составит более 0,40, 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 5,3 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, по меньшей мере, 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 3,5-4,2, что, с одной стороны, обеспечивает эффективную гомогенизацию смеси и протекание реакций силикатообразования в ней, а с другой стороны, - экономию энергозатрат 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 значения плотности, прочности при сжатии, коэффициента теплопроводности. Стоимость полученного материала достаточно низкая, что обеспечивается прежде всего низким содержанием щелочного компонента в исходной смеси. Материал такого качества имеет широкое промышленное применение. Условно материалы этой серии по сочетанию характеристик плотность, прочность при сжатии, коэффициент теплопроводности можно разделить на три вида (см. табл.):

Таблица
вид материала плотность, кг/м 3 коэффициент теплопроводности при t=25°C, BT/(M°C) прочность при сжатии, кгс/см2
теплоизоляционный 70-180 0,35-0,06 1-19
конструкционно-теплоизоляционный 181-250 0,06-0,08 20-30
конструкционный 251-400 0,08-0,14 31-100

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 конструкционно-теплоизоляционный материал, может использоваться для выполнения самонесущих ограждений и перемычек при возведении малоэтажных жилых, административных и промышленных зданий и сооружений. При этом дополнительная теплоизоляция конструкций, выполненных из этого материала, не требуется.

Материал, согласно изобретению, как конструкционный материал, может 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.

Предпочтительно, когда отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды составляет, по меньшей мере, 0,8.

Частичное удаление химически связанной воды обеспечивают за счет дегидратации гидроксидов железа и алюминия, содержащихся в силикатной массе.

Окончательное удаление химически связанной воды обеспечивают за счет дегидратации гидроксидов кремния, содержащихся в силикатной массе.

Температура вспучивания лежит в интервале температур 650-900°С.

Такая реализация способа позволяет получить строительный материал с заявленными характеристиками. Это обеспечивается за счет того, что способ использует для парообразования только один источник - химическую воду, входящую в состав гидроксида кремния, дегидратация которого происходит при температуре вспучивания. Все прочие возможные источники воды для парообразования, в частности физическая вода, удаляются на этапе получения силикатной массы с остаточной влажностью менее 5 мас.%, химически связанная вода удаляется на этапе получения частично дегидратированной силикатной массы, когда в диапазоне температур 80°С-600°С происходит дегидратация гидроксидов железа и алюминия. Другой фактор, влияющий на достижение характеристик заявленного строительного материала, состоит в том, что вспучиванию подвергают сухую силикатную массу в виде измельченных частиц, что способствует образованию равномерной пористости и снижает вероятность образования пустот, крупных пор, уплотнений и сообщающихся (открытых) пор.

Способ реализуют следующим образом.

В качестве кремнеземсодержащего компонента для приготовления исходной смеси используют осадочные или вулканогенно-осадочные 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. Кремнеземсодержащий компонент имеет следующий химический состав, в мас.%:

SiO2 (аморфный кремнезем) 30-98
Al 2О3 0,1-20
Fe2O 3 0,1-12
неизбежные примеси 1,8-38

Для приготовления исходной смеси используют кремнеземсодержащий компонент естественной влажности, что исключает по сравнению с ближайшим аналогом необходимость предварительной его сушки и помола, что экономит соответствующие энергозатраты. Такая возможность обеспечивается за счет перераспределения части химических реакций на последующих этапах. При этом вода, содержащаяся в исходном кремнеземсодержащем компоненте, учитывается при расчете соотношения суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и щелочного компонента к содержанию воды.

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.

При отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента менее 0,08 получаемый материал имеет пониженную пористость и повышенный коэффициент теплопроводности, что ограничивает практическое применение материала. В случае, если значение указанного соотношения составит более 0,40, 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 5,3 недостаток воды сказывается на качестве протекания реакций силикатообразования, а также затрудняет операцию гомогенизации исходной смеси.

С другой стороны, отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего компонента и щелочного компонента к содержанию воды должно составлять, по меньшей мере, 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 3,5-4,2, что, с одной стороны, обеспечивает эффективную гомогенизацию смеси и протекание реакций силикатообразования в ней, а, с другой стороны, - экономию энергозатрат на удаление физической воды на последующих этапах.

Исходную смесь перемешивают в смесителе до получения гомогенной массы. Силикатная гомогенная масса, размещенная на поддонах или на конвейере, подается в сушильную камеру, где удаляется физическая вода с получением силикатной массы с остаточной влажностью менее 5 мас.%. В указанном температурном интервале реакции силикатообразования протекают существенно быстрее (в десятки раз), чем в условиях температуры окружающей среды. В случае, если остаточная влажность силикатной массы будет больше 5 мас.%, то возможно затруднение операции ее измельчения до требуемых размеров частиц.

Сухую силикатную массу с остаточной влажностью менее 5 мас.% подвергают измельчению в мельнице. При необходимости, перед подачей в мельницу, сухую силикатную массу можно подвергнуть дроблению до размера кусков, с которыми работает мельница принятого типа. Силикатную массу измельчают до размера частиц основной фракции, обеспечивающего при вспучивании заданный размер пор менее 3 мм.

Для обеспечения в строительном материале заданного размера пор сухую силикатную массу измельчают до размера основной фракции менее 0,8 мм. При этом наблюдается следующая зависимость - чем тоньше измельчение силикатной массы, тем более мелкие поры имеет материал. Рекомендуется проводить измельчение сухой силикатной массы до размера основной фракции в пределах 30-80 мкм. При таком измельчении обеспечивается хорошее соотношение между энергозатратами на измельчение и получаемыми эксплуатационными характеристиками материала. Затем силикатной массой, представляющей собой измельченные частицы сухой силикатной массы, заполняют формы, которые при вспучивании обеспечат требуемую форму получаемого строительного материала. С помощью форм строительному материалу могут придаваться формы блоков различных габаритов, формы сегментов, скорлуп для утепления трубопроводов и прочие другие формы. Измельченную силикатную массу, заполняющую формы, подвергают температурному воздействию в диапазоне температур от 80°С до 600°С для частичного удаления химически связанной воды. Назначение этой температурной обработки - удалить химически связанную воду посредством дегидратации гидроксидов железа и алюминия. Результат этой операции обработки - частично дегидратированная силикатная масса, т.е. силикатная масса, дегидратированная по гидроксидам железа и алюминия. Частичное удаление химически связанной воды при температуре менее 80°С и более 600°С не имеет смысла, так как в этом случае протекание реакции дегидратации гидроксидов железа и алюминия не наблюдается. Гидроксиды железа и алюминия в основном образуются на этапе силикатообразования при взаимодействии с водой оксидов железа и алюминия, содержащихся в исходном кремнеземсодержащем компоненте. Рассматриваемые гидроксиды силикатной массы представлены различными видами соединений и их фазовых состояний, характеризующихся разными температурами дегидратации. Для обеспечения требуемой дегидратации проводят обязательные температурные обработки в четырех температурных интервалах. Температурное воздействие в диапазоне температур от 80°С до 165°С обеспечивает в основном дегидратацию гидроксида железа вида FeO(OH), в частности его a -, b -, U - и d -фаз. Температурное воздействие в диапазоне температур от 165°С до 220°С обеспечивает в основном дегидратацию гидроксида алюминия вида Al(ОН)3, в частности его фазовых состояний в форме гиббсита и байерита, а также гидроксида железа вида FeO(OH), в частности его a -фазы. Температурное воздействие в диапазоне температур от 230°С до 350°С обеспечивает в основном дегидратацию определенных гидроксидов железа, находящихся в определенных фазовых состояниях, а также дегидратацию определенных гидроксидов алюминия, в том числе находящегося в фазовом состоянии в виде бемита. Температурное воздействие в диапазоне температур от 450 до 600°С также обеспечивает дегидратацию определенных гидроксидов железа и алюминия, находящихся в определенных фазовых состояниях.

Частично дегидратированная силикатная масса, а именно силикатная масса, дегидратированная по гидроксидам железа и алюминия, подвергается температурному воздействию при температуре вспучивания. Вспучивание силикатной массы сопровождается окончательным удалением химически связанной воды, вызывающим образование пор в силикатной массе. Вода, образующаяся в результате дегидратации гидроксидов кремния, 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.

Вспучивание силикатной массы проводят в температурном интервале от 650 до 900°С. Температура вспучивания влияет на некоторые характеристики получаемого материала. В частности, чем выше температура вспучивания, тем ниже показатель водопоглощения материала.

Вспученная силикатная масса постепенно охлаждается до температуры окружающей среды. Необходимо постепенно снижать температуру с тем, чтобы вспученный материал не потрескался. Рекомендуется следующий режим охлаждения. Охлаждение до 580°С проводить со скоростью не выше 2°С/мин, охлаждение до 250°С - со скоростью не выше 8°С/мин, охлаждение до температуры окружающей среды, например до 20°С - со скоростью не выше 1,5°С/мин. Для гарантированного получения качественного не потрескавшегося материала рекомендуется проводить равномерное естественное охлаждение материала в отключенной от нагрева печи, в которой проводилось вспучивание частично дегидратированной силикатной массы.

Полученный строительный материал извлекается из форм и может использоваться по назначению. При необходимости, материал может быть разрезан на изделия требуемых форм и размеров.

При необходимости можно получать строительный материал различного цвета. Для этих целей в исходную смесь в зависимости от требуемого цвета добавляют соли различных металлов.

Заявленный строительный материал относится к неорганическим, негорючим, экологически чистым, механически прочным, био-, атмосферо- и кислотостойким, 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 заявленный 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), но так же и в сыпучем (гранулы) виде. Другие цели и преимущества изобретения станут более понятны из следующих конкретных примеров его выполнения.

Пример 1. В качестве кремнеземсодержащего компонента взят трепел природного месторождения следующего химического состава, в мас.%:

SiO2 (аморфный кремнезем) 78,7
Al 2O3 13,2
Fe2O 3 0,1
неизбежные примеси 8,0.

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 0,4 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 смесителя перемешали до гомогенного состояния. Затем гомогенную смесь на поддоне поместили в сушильную камеру, с помощью которой удалили физическую воду и получили силикатную массу с остаточной влажностью 1 мас.%.

Сухую силикатную массу с помощью дробилки раздробили до фракции 2-3 мм и затем с помощью мельницы измельчили до основной фракции 30 мкм. Измельченными частицами силикатной массы заполнили прямоугольную металлическую форму и поместили в муфельную печь. Силикатную массу нагрели до 150°С и выдержали в течение 9 часов, что обеспечило в основном дегидратацию гидроксида железа вида FeO(OH), в частности его a -, b -, U - и d -фаз. Затем подняли температуру до 170°С и выдержали 7 часов, что обеспечило в основном дегидратацию некоторых видов сложных соединений на основе гидроксида железа. Затем подняли температуру до 190°С и выдержали 6 часов, что обеспечило в основном дегидратацию гидроксида алюминия вида Al(ОН) 3, в частности его фазовых состояний в форме гиббсита и байерита. Затем подняли температуру до 250°С и выдержали 8 часов, что обеспечило в основном дегидратацию определенных гидроксидов алюминия, в том числе находящегося в фазовом состоянии в виде бемита. Затем подняли температуру до 320°С и выдержали 7 часов, что обеспечило в основном дегидратацию некоторых гидроксидов железа, находящихся в определенных фазовых состояниях. Затем подняли температуру до 580°С и выдержали 6 часов, что обеспечило дегидратацию оставшихся некоторых гидроксидов железа и алюминия, находящихся в определенных фазовых состояниях. Затем подняли температуру до 720°С и выдержали 3 часа, что обеспечило дегидратацию гидроксидов кремния, образование паров воды и образование пор, т.е. вспучивание массы. Затем отключили нагревательный элемент печи и дали материалу в течение 12 часов охладиться естественным образом в закрытой печи до температуры 45°С, после чего он был извлечен из формы.

Охлажденный блок полученного строительного материала размером 250×250×250 мм был извлечен из формы и разрезан на несколько частей. Структура материала однородная, пористость материала равномерная, отсутствуют пустоты и уплотнения. Размер пор 1 мм. Пористость материала составила 92 об.%, плотность 90 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,038 Вт/м°С, прочность при сжатии 3 кгс/см 2.

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, как и в примере 1. Отношение едкого натра к трепелу составляет 0,35. Отношение суммарного содержания трепела и едкого натра к содержанию воды составляет 3,5.

В сушильной камере получили силикатную массу с остаточной влажностью 4 мас.%. Сухую силикатную массу измельчили до основной фракции 70 мкм. Силикатную массу нагрели до 145°С и выдержали в течение 10 часов, что обеспечило в основном дегидратацию гидроксида железа вида FeO(OH), в частности его a -, b -, U - и d -фаз. Затем подняли температуру до 170°С и выдержали 6 часов, что обеспечило в основном дегидратацию некоторых видов сложных соединений на основе гидроксида железа. Затем подняли температуру до 190°С и выдержали 6 часов, что обеспечило в основном дегидратацию гидроксида алюминия вида Al(ОН) 3, в частности его фазовых состояний в форме гиббсита и байерита.

Затем подняли температуру до 250°С и выдержали 6 часов, что обеспечило в основном дегидратацию определенных гидроксидов алюминия, в том числе находящегося в фазовом состоянии в виде бемита. Затем подняли температуру до 320°С и выдержали 6 часов, что обеспечило в основном дегидратацию некоторых гидроксидов железа, находящихся в определенных фазовых состояниях. Затем подняли температуру до 580°С и выдержали 6 часов, что обеспечило дегидратацию оставшихся некоторых гидроксидов железа и алюминия, находящихся в определенных фазовых состояниях. Затем подняли температуру до 700°С и выдержали 3,5 часа, что обеспечило дегидратацию гидроксидов кремния, образование паров воды и образование пор - т.е. вспучивание массы. Затем отключили нагревательный элемент печи и дали материалу в течение 15 часов охладиться естественным способом в закрытой печи до температуры 35°С, после чего он был извлечен из формы. Охлажденный блок полученного строительного материала размером 250×250×250 мм был извлечен из формы и разрезан на несколько частей. Структура материала однородная, пористость материала равномерная, отсутствуют пустоты и плотности. Размер пор 1,3 мм. Пористость материала составила 89 об.%, плотность 150 кг/м3, коэффициент теплопроводности от 0,041 Вт/м°С, прочность при сжатии 10 кгс/см 2.

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 3. В качестве кремнеземсодержащего компонента взята опока природного месторождения следующего химического состава, в мас.%:

SiO2 (аморфный кремнезем) 54,5
Al 2O3 8,9
Fe2O 3 0,3
неизбежные примеси 36,3.

Отношение едкого натра к трепелу составило 0,30. Отношение суммарного содержания трепела и едкого натра к содержанию воды составило 4,0.

В сушильной камере получили силикатную массу с остаточной влажностью 4 мас.%. Сухую силикатную массу измельчили до основной фракции 60 мкм. Силикатную массу нагрели до 155°С и выдержали в течение 12 часов, что обеспечило в основном дегидратацию гидроксида железа вида FeO(OH), в частности его a -, b -, U - и d -фаз. Затем подняли температуру до 170°С и выдержали 8 часов, что обеспечило в основном дегидратацию некоторых видов сложных соединений на основе гидроксида железа. Затем подняли температуру до 190°С и выдержали 8 часов, что обеспечило в основном дегидратацию гидроксида алюминия вида Al(ОН) 3, в частности его фазовых состояний в форме гиббсита и байерита. Затем подняли температуру до 250°С и выдержали 8 часов, что обеспечило в основном дегидратацию определенных гидроксидов алюминия, в том числе находящегося в фазовом состоянии в виде бемита. Затем подняли температуру до 320°С и выдержали 8 часов, что обеспечило в основном дегидратацию некоторых гидроксидов железа, находящихся в определенных фазовых состояниях. Затем подняли температуру до 600°С и выдержали 8 часов, что обеспечило дегидратацию оставшихся некоторых гидроксидов железа и алюминия, находящихся в определенных фазовых состояниях. Затем подняли температуру до 680°С и выдержали 4 часа, что обеспечило дегидратацию гидроксидов кремния, образование паров воды и образование пор - т.е. вспучивание массы. Затем отключили нагревательный элемент печи и дали материалу в течение 24 часов охладиться естественным способом в закрытой печи до температуры 30°С, после чего он был извлечен из формы.

Охлажденный блок полученного строительного материала размером 250×250×250 мм был извлечен из формы и разрезан на несколько частей. Структура материала однородная, пористость материала равномерная, отсутствуют пустоты и плотности. Размер пор 1,3 мм. Пористость материала составила 87 об.%, плотность 240 кг/м3, коэффициент теплопроводности от 0,065 Вт/м°С, прочность при сжатии 27 кгс/см2.

Получен строительный материал, который относится к конструкционно-теплоизоляционным строительным материалам. Материал может эффективно использоваться для выполнения самонесущих ограждений и перемычек при возведении малоэтажных жилых, административных и промышленных зданий и сооружений. При этом дополнительная теплоизоляция конструкций, выполненных из этого материала, не требуется.

Пример 4. В качестве кремнеземсодержащего компонента взят диатомит природного месторождения следующего химического состава мас.%:

SiO2 (аморфный кремнезем) 71,4
Al 2O3 17,2
Fe2O 3 3,0
неизбежные примеси 8,4.

В сушильной камере получили силикатную массу с остаточной влажностью 5 мас.%. Сухую силикатную массу измельчили до основной фракции 100 мкм. Силикатную массу нагрели до 150°С и выдержали в течение 8 часов, что обеспечило в основном дегидратацию гидроксида железа вида FeO(OH), в частности его a -, b -, U - и d -фаз. Затем подняли температуру до 175°С и выдержали 8 часов, что обеспечило в основном дегидратацию некоторых видов сложных соединений на основе гидроксида железа. Затем подняли температуру до 190°С и выдержали 6 часов, что обеспечило в основном дегидратацию гидроксида алюминия вида Al(ОН) 3, в частности его фазовых состояний в форме гиббсита и байерита. Затем подняли температуру до 250°С и выдержали 7 часов, что обеспечило в основном дегидратацию определенных гидроксидов алюминия, в том числе находящегося в фазовом состоянии в виде бемита. Затем подняли температуру до 320°С и выдержали 7 часов, что обеспечило в основном дегидратацию некоторых гидроксидов железа, находящихся в определенных фазовых состояниях. Затем подняли температуру до 600°С и выдержали 6 часов, что обеспечило дегидратацию оставшихся некоторых гидроксидов железа и алюминия, находящихся в определенных фазовых состояниях. Затем подняли температуру до 690°С и выдержали 5 часов, что обеспечило дегидратацию гидроксидов кремния, образование паров воды и образование пор - т.е. вспучивание массы. Затем отключили нагревательный элемент печи и дали материалу в течение 24 часов охладиться естественным способом в закрытой печи до температуры 30°С, после чего он был извлечен из формы.

Охлажденный блок полученного строительного материала размером 250×250×250 мм был извлечен из формы и разрезан на несколько частей. Структура материала однородная, пористость материала равномерная, отсутствуют пустоты и плотности. Размер пор 1,7 мм. Пористость материала составила 81 об.%, плотность 370 кг/м3, коэффициент теплопроводности от 0,095 Вт/м°С, прочность при сжатии 78 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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды составляет, по меньшей мере, 0,8.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное измельчение осуществляют до размера частиц менее 80 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев до 600°С осуществляют в диапазонах температур до 165°С, от 165 до 220°С, от 230 до 350°С, от 450 до 600°С в любой их последовательности.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что частичную дегидратацию указанной массы осуществляют за счет дегидратации гидроксидов железа и алюминия, содержащихся в силикатной массе.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что вспучивание осуществляют за счет окончательного удаления химически связанной воды.

7. Строительный материал, полученный из исходной смеси, содержащей кремнеземсодержащий компонент, щелочной компонент и воду 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, отличающийся тем, что он получен способом по п.1 и имеет пористость от 80 до 95 об.% при плотности от 70 до 400 кг/м3 , коэффициенте теплопроводности от 0,035 до 0,14 Вт/м°С и прочности при сжатии от 1 до 100 кгс/см2 .

8. Материал по п.7, отличающийся тем, что отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды составляет, по меньшей мере, 0,8.

9. Материал по п.7, отличающийся тем, что указанное измельчение осуществляют до размера частиц менее 80 мкм.

10. Материал по п.7, отличающийся тем, что нагрев до 600°С осуществляют в диапазонах температур до 165°С, от 165 до 220°С, от 230 до 350°С, от 450 до 600°С в любой их последовательности.

11. Материал по п.7, отличающийся тем, что частичную дегидратацию указанной массы осуществляют за счет дегидратации гидроксидов железа и алюминия, содержащихся в силикатной массе.

12. Материал по п.7, отличающийся тем, что вспучивание осуществляют за счет окончательного удаления химически связанной воды.

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ

Ваш E-mail:*

Сообщение:*

 

Версия для печати


вверх