Содержание к диссертации
Введение 7
Глава 1. Геология, сырьевая база и производство вермикулита и перлита.... 18
1.1. Условия образования и свойства вермикулита-сырца 18
1. 2. Геология и сырьевая база вермикулита 26
1.2. 1. Вермикулит Ковдорского месторождения 30
1. 2. 2. Вермикулит Инаглинского месторождения 32
1.2.3. Вермикулит Каратас-Алтынтасского месторождения 36
1. 3. Некоторые особенности технологии производства вспученного
вермикулита 42
1. 3. 1. Анализ способов обогащения породы с целью получения
вермикулитового концентрата-сырца 42
1.3.2 Технология производства вспученного вермикулита 45
1.3.3. Анализ работы обжиговых установок по производству
вспученного вермикулита 46
1. 3. 4. Исследование режимов обжига вермикулита-сырца в шахтной печи
НИИСМИАСиАУССР 47
1, 3. 5. Особенности производства вспученного вермикулита Инаглинского
месторождения 56
1. 3. 6. Особенности производства вспученного вермикулита Каратас-
Алтынтасского месторождения 62
1.4. Сырьевая база и производство вспученного перлита 66
1. 4. 1. Сырьевая база перлита 70
1. 4. 2. Производство вспученного перлита 71
Выводы 76
Глава 2. Исследование свойств вспученного вермикулита и перлита и их
применение в засыпных конструкциях 80
Насыпная плотность, зерновой состав, пористость и межзерновая пустотность 80
Теплопроводность 85
2.2. 1. Влияние повышенных температур на теплопроводность 87
2.2.2. Влияние отражательной способности на теплопроводность 88
3.Определение теплопроводности вспученных заполнителей в вакууме,. ,90
Вакуумно-порошковая засыпная теплоизоляция 94
2. 4. Водопоглощение и сорбционная влажность 101
2. 5. Звукопоглощение вспученного вермикулита 105
2. 6. Деформативность и упругие свойства вспученного вермикулита 108
2.6. 1. Испытания упруго-сжатой засыпки на фрагментах панелей 112
2. 6. 2. Влияние различных технологических факторов на напряженное
состояние вермикулитовой засыпки 116
2. 6. 3. Изготовление трехслойных стеновых панелей с упруго-сжатой
вермикулитовой засыпкой 120
2.6.4. Натурные испытания экспериментальных стеновых панелей 125
Выводы 136
Глава 3. Аэрированные тепло-огнезащитные растворы и изделия с
использованием вспученного вермикулита, перлита, а также
волокнистых минеральных наполнителей и изделий на их основе 141
3.1. Анализ видов и технических свойств тепло-огнезащитных материалов.. .141
3. 2. Теплоизоляционные асбестовермикулитовые изделия (АВИ) 146
3. 2. 1. Влияние состава и технологических факторов на свойства
асбестовермикулитовых изделий (АВИ) 147
3. 2. 2. Влияние гидрофобных добавок на свойства асбестовермикулитовых
изделий 152
3. 3. Исследование напыляемой тепло-огнезащитной изоляции с использованием вспученного вермикулита, перлита и волокнистых
минеральных наполнителей 155
3. 3.1. Конструкция и рабочие параметры экспериментальной установки 155
3. 3. 2. Отработка оптимальных режимов напыления тепловой изоляции... 160 3. 4. Вспучивающиеся тепло-огнезащитные покрытия на основе вермикулита
и перлита 165
3. 4. 1. Исследование огнезащитной изоляции на основе вермикулита и
перлита 173
3. 5. Исследование составов, свойств и технологии изготовления теплозащитных покрытий (ТПЗ) на основе вспученного вермикулита и
перлита 181
3. 5. 1. Некоторые особенности твердения теплоизоляции на жидком стекле
и органосиликатных вяжущих 185
3.5.2. Исследования специальных свойств ТЗП с учетом влияния
эксплуатационных нагрузок 202
3. 5. 5, Приготовление и нанесение теплоизоляции на корпуса ТО в
производственных условиях 204
Выводы 208
Глава 4. Аэрированные легкие растворы и сухие смеси на основе
вспученного вермикулита и перлита, их применение в строительных
конструкциях 213
4. 1. Аэрированные и поризованные легкие вермикулито-перлитопесчаные
растворы для «теплых» стяжек полов 214
4. 1. 1. Подбор составов и свойства легких растворов для «теплых» стяжек
полов 215
4. 1.2. Натурные испытания полов 234
4. 2. Легкие сухие строительные смеси с использованием вспученного
вермикулита и перлита 240
4. 2. 1. Легкие сухие кладочные смеси (ЛСКС), теплоизоляционные сухие
штукатурные смеси (ТСШС) и их особенности 240
4. 2. 2. Поризованные штукатурные растворы 241
4. 2. 3. Подбор составов и свойства легких сухих кладочных смесей (ЛСКС) и
теплоизоляционных сухих штукатурных смесей (ТСШС) на основе
вспученных перлита и вермикулита 248
Выводы 259
Глава 5. Аэрированные легкие бетоны (АЛБ) с применением
высокопористых заполнителей, особенности производства стеновых
камней и плит перегородок из них 263
5, 1. Анализ технических свойств ячеистых бетонов и легких бетонов на
пористых заполнителях 263
5. 1. 1. Ячеистые бетоны и изделия из них 263
5. 1.2. Легкие бетоны на минеральных пористых заполнителях и изделия из
них 268
5. 2. Исследование аэрированных легких бетонов на основе вспученного
вермикулита и перлита, и других пористых заполнителей 272
5. 2. 1. АЛБ с использованием золы-уноса ТЭЦ и обожженной
вермикулитосодержащей породы 275
5. 2. 2. Некоторые особенности получения АЛБ с использованием
обожженной вермикулитосодержащей породы и золы уноса ТЭЦ 283
5.2.3. АЛБ с применением бумажных наполнителей и отходов 287
5. 3. Использование метода поровых объемов, применительно к расчету и
подбору составов АЛБ 291
5.4. Основные свойства аэрированных легких бетонов 296
5. 5. Разработка технологии производства стеновых камней и плит
перегородок из АЛБ с применением высокопористых заполнителей, технико-
экономические расчеты 303
5. 5. 1. Разработка технологического регламента производства стеновых
камней из АЛБ 303
5.5.2. Технологическая схема производства СКАБ с пористым заполнителем... 306
5.5.3. Технологический процесс производства СКАБ на пористых
заполнителях и разработка формооснастки 309
5. 5. 4. Факторы, влияющие на кинетику изменения пластической прочности
АЛБ-смесей 312
5. 6. Особенности производства плит перегородок из АЛБ на пористых
заполнителях 315
5. 7. Алгоритм построения оптимальной структуры производства изделий из
АЛБ на пористых заполнителях 319
5. 8. Расчет экономической эффективности работы опытного цеха СКАБ...324
Выводы 331
Общие выводы 335
Список использованной литературы 340
Приложения 363
Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования
«Концепция развития приоритетных направлений промышленности строительных материалов и стройиндустрии на 2001 — 2005 годы» призвана создать условия для реализации целей и задач, намеченных Федеральной целевой программой «Жилище» [133].
Непосредственным поводом к выбору темы диссертации послужили возрастающие противоречия: а) между наличием больших сырьевых ресурсов вермикулитового и перлитового сырья, значительным объемом побочных продуктов промышленного производства (например, золы уноса, хвойных опилок, отходов пенополистирола) и незначительным объемом их использования в производстве строительных материалов и изделий; в) между возрастающей потребностью в использовании относительно дешевых местных стеновых и теплоизоляционных материалов хорошего качества и низкой покупательной способностью средних и бедных слоев населения; с) между огромным количеством садоводческих участков (только по Санкт-Петербургу и Ленинградской области около 500 тысяч) и малым числом современных, долговечных, красивых построек: коттеджей, усадебных домов, хозяйственных блоков.
По нашему мнению, актуальным является расширение производства теплоизоляционных, огнезащитных бетонов и растворов, стеновых камней и плит перегородок для малоэтажного строительства. Создание небольших цехов мощностью 5-10 тыс. м на отечественном оборудовании по их производству из аэрированного легкого бетона на основе местных материалов, является одним из эффективных технико-экономических решений данной проблемы.
Актуальность темы диссертационной работы определяется также современными требованиями по повышению теплозащитных свойств наружных ограждений жилых домов согласно Изменению №3 СНиП 11-3-
79** «Строительная теплотехника». Поэтому оправданы исследования теплоизоляционных материалов и изделий, легких сухих смесей на высокопористых заполнителях, с целью их использования в легких штукатурных и кладочных растворах, снижения материалоемкости и теплопотерь ограждений. Так, например, при строительстве энергоблока АЭС с реактором РБМК объем теплоизоляционных работ достиг 15 % от общего объема строительно-монтажных работ; один кубический метр тепловой изоляции позволяет в строительных конструкциях сэкономить 2,5 тонны условного топлива или 300 кВт-ч энергии в год.
По данным Федерального агентства по строительству и ЖКХ к 2010 году получат дальнейшее развитие такие направления как; производство теплоизоляционных материалов, эффективных стеновых материалов, сухих смесей различного назначения. Об уровне производства теплоизоляционных материалов на душу населения в ряде других стран можно судить по данным табл. 1.
Таблица 1
Производство теплоизоляционных материалов на душу населения в промышленное
развитых странах на 1000 жителей, м3 &ч
В России остро стоит вопрос противопожарной безопасности зданий: сгорают уникальные библиотеки, памятники архитектуры, детские учреждения. В стране широко применяются тонкостенные железобетонные, армоцементные, фибробетонные конструкции, а также немало деревянных, металлических строений, предел огнестойкости которых не превышает 30-40 мин. Комплексно вопросы огнезащиты указанных конструкций решаются с применением огнезащитных красок, обмазок, штукатурок, матов и плит.
Однако в настоящее время их использование является недостаточным. Часть наших исследований посвящена разработке и внедрению тепло-огнезащитных материалов на основе вермикулита и перлита. Эти материалы являются универсальными пористыми заполнителями и позволяют получать композиционные материалы многоцелевого назначения.
Россия и страны СНГ обладают значительными запасами вермикулита и перлита. Эти минералы после обжига позволяют получать высокопористые зернистые материалы многоцелевого назначения.
Оба заполнителя относятся к особолегким высокопористым сыпучим материалам с малой механической прочностью, отличаются биостойкостью, они не токсичны, не горючи и долговечны. Характерные особенности вспученного вермикулита - анизотропия его частиц, чешуйчатое строение, высокая открытая пористость, значительные упругие деформации. Особенности вспученного перлита - изотропность, форма зерен, близкая к сферической, аморфная структура и ячеистая форма пор близкая к сферической, более низкое водопоглощение, чем у вермикулита.
Большой вклад в исследования вермикулита-сырца, а также вспученного вермикулита, материалов и изделий на его основе внесли отечественные ученые А. П. Афанасьев, Я. А. Ахтямов, П. П. Боровиков, Б. С. Бобров, Г. В. Геммерлинг, К. Н. Дубенецкий, Ю. С. Дьяконов, Н. Н. Кальянов, А. М. Корчагин, И. А. Львова, А. П. Пожнин, П. П. Ступаченко, В. И. Терновой, П. П. Токмаков, С. И. Хвостенков и др., а из иностранных ученых Г. Ф. Уокер, И. Баршад, В. А. Бассет, И. В. Грунер и др.
Исследованиями перлита, материалов и изделий на его основе посвящены фундаментальные работы П. П. Будникова, А. В. Жукова, И. Э. Горяйнова, В. Р. Исраэляна, С, П. Каменского, М. П. Мерзляка, В. П. Петрова, М. В. Симонова, М. Ф. Сухарева и др.
Исследования, результаты которых приведены в диссертационной работе, посвящены разработке и внедрению материалов на основе вермикулита и перлита. Являясь универсальными высокопористыми
заполнителями, они позволяют получать легкие композиционные материалы многоцелевого назначения, в том числе методом аэрирования.
Вопросам аэрированных и поризованных растворов и бетонов посвящены значительные работы Ю. М. Баженова, П. Г. Комохова, А. В. Саталкина, А. М. Сергеева, В. И. Соломатова, В. А. Солнцевой, В. Т. Соколовского, В. В. Стольникова, Г. П. Сахарова, Ю. Д. Чистова и др.
К середине 60-х годов XX века были в основном проведены работы по изучению вермикулитов самого крупного в Европе Ковдорского месторождения (Мурманская область), и крупнейшего в Азии Потанинского месторождения на Урале (Челябинская область). Одной из задач наших исследований было изучение вермикулита таких новых малоизученных месторождений как Инаглинское (Якутия), Каратасское (Казахстан) с разработкой промышленного производства вспученного вермикулита этих месторождений.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является решение проблемы широкого использования вермикулита и перлита в производстве конструктивно-теплоизоляционных, теплоизоляционных, тепло-огнезащитных бетонов и растворов, а также разработка концепции формирования поровой структуры и технических свойств этих материалов методом аэрирования; внедрение технологии производства стеновых камней, плит перегородок, тепло-огнезащитных покрытий и «теплых» стяжек полов на основе вспученного вермикулита, перлита и других пористых заполнителей.
При этом решались следующие задачи:
1. Разработка технологии обогащения и обжига вермикулитов
Инаглинского и Каратасского месторождений, а также получение товарного
вспученного вермикулита и перлита на промышленных установках.
2. Исследование технических свойств высокопористых заполнителей:
вспученного вермикулита и перлита, а также побочных продуктов
промышленного производства - хвойных опилок и отходов пенополистирола (ППС).
Разработка расчетно-экспериментального способа подбора составов аэрированного легкого бетона (АЛБ) методом поровых объемов.
Разработка составов аэрированных тепло-огнезащитных материалов и изделий на основе вспученного вермикулита, перлита и волокнистых наполнителей со средней плотностью 150 * 600 кг/м и температурой применения - до 800 - 1200 С.
Исследование АЛБ со средней плотностью 600-1200 кг/м3, классов по прочности В1-В7,5 с использованием высокопористых заполнителей, оценка их технических свойств.
Разработка составов легких, в том числе аэрированных растворов (АЛР) со средней плотностью 1000-1300 кг/м классов по прочности В3,5 -В10 с использованием вспученного перлита и вермикулита, изучение технических свойств легких растворов, разработка технологии изготовления «теплых» оснований полов на их основе.
Подбор составов и исследование свойств сухих строительных смесей на основе вспученного перлита и вермикулита (кладочные и штукатурные смеси).
8. Разработка технологии производства стеновых камней и плит
перегородок из аэрированных легких бетонов с применением
высокопористых заполнителей (вспученного перлита и вермикулита,
хвойных опилок и отходов ППС).
9. Натурные испытания стеновых ограждений с применением
вспученного вермикулита и перлита.
Объект исследования: высокопористые заполнители для легких, тепло-огнезащитных бетонов и растворов; составы бетонов и растворов и изделия на их основе; технология производства стеновых камней и плит перегородок; тепло-огнезащитных покрытий и «теплых» стяжек полов.
Предмет исследования: Разработка технологии производства вспученного вермикулита, подбор составов и исследование свойств аэрированных легких и тепло-огнезащитных бетонов, растворов и сухих кладочных и штукатурных смесей на основе высокопористых заполнителей; разработка технологии и оптимальных режимов работы опытных цехов по производству стеновых камней и перегородок из АЛБ.
Методика исследований: анализ литературы, составление методических карт испытаний, математическое планирование экспериментов, разработка методик исследований материалов и изделий, теоретические и экспериментальные исследования режимов изготовления и применения АЛБ-смесей в производстве изделий, моделирование технологических процессов.
Достоверность результатов исследований подтверждается значительным объемом проведенных экспериментов, использованием стандартных методик и оборудования, применением современных методов исследований, хорошим соответствием результатов испытаний, полученных в лабораторных и производственных условиях.
Научная новизна. Разработана и внедрена технология обогащения и обжига вермикулита Инаглинского и Каратас-Алтынтасского месторождений по сухой схеме производства.
Изучены механические, акустические и теплофизические свойства вспученного вермикулита и перлита (в том числе доли передачи тепла в материалах кондукцией, конвекцией и лучеиспусканием), а так же технические свойства хвойных опилок и отходов ППС, взятые в сравнении.
Исследованы недостаточно изученные ранее свойства высокопористых заполнителей: теплопроводность в зависимости от температуры, разряжения газовой среды, от размера и формы зерен, их отражательной способности, влияния поровой составляющей на их свойства.
С учетом характерных особенностей вермикулита и перлита выявлены наиболее перспективные области их применения в строительстве.
Разработан новый способ изготовления безусадочных конструкций с засыпкой из вспученного вермикулита.
Разработана методика подбора состава аэрированных легких бетонов и растворов с использованием высокопористых заполнителей («метод поровых объемов»). Изучено влияние поровой составляющей на свойства АЛБ и АЛР.
Подобраны составы, исследованы свойства и разработана технология изготовления тепло- и огнезащитных покрытий на основе вспученного вермикулита, перлита и волокнистых наполнителей со средней плотностью 150-250 кг/м и температурой применения 800-1100 С.
Разработаны и исследованы аэрированные легкие растворы на основе вспученного вермикулита и перлита для производства «теплых» оснований полов, сухие кладочные штукатурные смеси.
Предложены и исследованы аэрированные легкие бетоны со средней плотностью 800-1200 кг/м, классов В3,5 -s- В10 по прочности с использованием вспученного перлита и вермикулита, хвойных опилок, отходов пенополистирола и золы-уноса для производства стеновых камней и плит перегородок.
Проведен сравнительный анализ свойств растворов и бетонов на основе вспученного перлита и вермикулита.
Осуществлен способ двухступенчатого приготовления аэрированных растворных и бетонных смесей в быстроходном смесителе. В начале готовится смесь воды, воздухововлекающего ПАВ, природного песка, а вспученный заполнитель вводится последним при низкой скорости перемешивания.
Исследованы факторы, обеспечивающие оптимизацию технологии производства теплоизоляционных и конструктивно-теплоизоляционных аэрированных бетонов и растворов.
Систематизированы и проанализированы основные производственные факторы, влияющие на технические свойства изделий из легких
аэрированных бетонов и разработан алгоритм оптимизации технологии их производства.
Новизна разработок подтверждена авторскими свидетельствами и
патентами, рядом технических условий, инструкций и руководств. Часть
результатов исследований автора вошла в монографию, 3 справочных
издания, 3 учебных пособия и используется в учебном процессе по
дисциплинам: «Строительные материалы», «Архитектурное
материаловедение», «Современные строительные материалы» для студентов специальности 2903 «Промышленное и гражданское строительство» и 2905 «Архитектура».
Практическая значимость и реализация результатов работы
Разработана сухая схема обогащения вермикулитовых пород Инаглинского и Каратас-Алтынтасского месторождений с внедрением на объектах треста «Алданстрой» (Якутия) и ППСО «Актюбнефтегазстроя». Показана эффективность обжига вермикулита и перлита в шахтных печах.
Предложены и разработаны составы, исследованы свойства АЛБ с использованием пористых заполнителей, подобрано оборудование (скоростные аэросмесители турбулентного типа и др.), разработана технология производства стеновых камней и плит перегородок из АЛБ в условиях экспериментальных цехов.
Разработаны ТУ 5741-001-0206880-96 «Стеновые камни из аэрированного легкого бетона с пористым наполнителем», ТУ 5741-004-02068580-02 «Стеновые камни и плиты перегородок из аэрированного легкого бетона на пористых заполнителях», технологические регламенты для цехов производительностью по 5000 м стеновых камней в год. Изделия, изготовленные по разработанной технологии, используются при строительстве коттеджей, садовых домов и хозблоков в Санкт-Петербурге, Ленинградской области и г. Актобе (Казахстан) с ежегодным объемом производства стеновых камней из АЛБ, равным 10-15 тыс. м3.
Теплоизоляционные штукатурные растворы на основе вспученного вермикулита и перлита внедрены на строительных объектах Алдана, Магадана и Санкт-Петербурга. Выпуск легких сухих строительных смесей по разработанной рецептуре освоили ООО «Петроперлит» и ЗАО «Магаданперлит».
Разработаны составы, исследованы свойства и технология
изготовления аэрированных легких растворов на основе высокопористых
заполнителей (вермикулит, перлит, хвойные опилки) для устройства стяжек
оснований полов. Технология внедрена на объектах «Главзапстроя» (тресты
16 и 35), треста «Ленотделстрой», ЗАО «АСЭРП», ЗАО «Стройимпульс» с
ежегодным объемом производства 30 — 50 тыс. м при строительстве жилых
домов и гражданских зданий, в том числе таких как Национальная публичная
библиотека (Санкт-Петербург), здание ВАМИ, областная больница в г.
Сестрорецке и др. Разработаны нормативные документы «Указания по устройству полов с теплозвукоизоляцией на основе вспученного вермикулита и с покрытием из пластика», ВСН-137, Ленинград, Главленинградстрой, 1970; «Руководство по устройству полов с применением «теплых» аэрированных растворов и механизированной подачей к месту укладки», Ленинград, Главзапстрой, 1976; «Руководство по устройству полов с применением «теплых» перлитопесчаных растворов», г. Нальчик, Минжилгражданстрой, 1980).
На промышленных установках, теплообменных аппаратах испытаны и внедрены теплозащитные материалы на основе вспученного вермикулита, перлита, каолиновой ваты и органосиликатных композиций (СКБ «Турбина», ЦНИИМ).
На основании комплексных испытаний разработаны ТУ «Огнезащитное вермикулитовое покрытие - ОВП-1 для стальных строительных конструкций», «Мостострой», 1990. Покрытие внедрено на многих объектах, в том числе при реконструкции Казанского вокзала
(Москва), на объектах ЦЭТИ «Союзэнерготеплоизоляция», Концертном зале «Октябрьский», а так же в ряде кинотеатров Санкт-Петербурга. На защиту выносятся следующие вопросы:
Технология получения и результаты исследований свойств вспученного вермикулита Инаглинского и Кар атас-Алтынтасского, а также Ковдорского месторождений.
Исследования процессов структурообразования в легких и теплоизоляционных аэрированных бетонах и растворах с применением высокопористых заполнителей (вспученный вермикулит, вспученный перлит, хвойные опилки и отходы ППС).
Методика подбора состава аэрированных легких бетонов с использованием высокопористых заполнителей («метод поровых объемов»).
Совокупность экспериментальных данных о свойствах аэрированных легких бетонов и растворов специального назначения - огнезащитных, теплозащитных, декоративно-звукопоглощающих, теплоизоляционных и для устройства «теплых» стяжек полов.
Результаты исследований легких и теплоизоляционных сухих смесей на основе вспученного вермикулита и перлита.
Технология производства стеновых камней и плит перегородок из аэрированных легких бетонов, технология устройства огнезащитных, теплозащитных покрытий на основе вспученного вермикулита и перлита путем напыления.
Результаты натурных теплофизических и акустических испытаний материалов и конструкций с применением вермикулита и перлита.
8. Технико-экономические расчеты и результаты внедрения
разработанных материалов.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 80 печатных трудах, а также на Всесоюзных совещаниях по проблеме «Вермикулит» в КФ АН СССР (г. Аппатиты) 1967, 1971 гг., на координационных совещаниях по
теплоизоляционным и акустическим материалам во ВНИИ теплоизоляции (г. Вильнюс, 1973); Гипронинеметаллоруд (г. Ленинград, 1982); УралНИИстромпроект (г. Челябинск, 1980), Теплопроект (1986), Всероссийской конференции (Белгород, 1991), на международных симпозиумах: «Реконструкция Ленинграда - 2000», «Реконструкция и строительство Санкт-Петербурга (2001), юбилейных конференциях, посвященных 100-летию кафедры «Строительные материалы», СПб (2000); 100-летию со дня рождения П. И. Боженова (2004), международных конференциях «Batimix» (2001, 2002, 2003 гг.), а также на научных конференциях ЛИСИ - СПбГАСУ в 1965-1982 и 1986-2004 гг.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 362 страницах, включает 106 таблиц и 90 рисунков. Список литературы содержит 351 наименование.
