СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C04B38/00 C04B40/02 

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

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 450°С 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 Вт/(м·°С) 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 Вт/(м·°С). С другой стороны, материал плотностью 302 кг/м³ при относительно приемлемом значении коэффициента теплопроводности 0,098 Вт/(м·°С) 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°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 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 Вт/(м·°С) 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 Вт/(м·°С). С другой стороны, материал плотностью 300 кг/м³ при хорошем значении коэффициента теплопроводности 0,085 Вт/(м·°С) 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°С в течение 30-60 минут с последующим ее нагревом со скоростью 50-150°С/мин до температуры вспучивания в диапазоне 800-900°С 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, образующиеся при выгорании и химическом взаимодействии различных примесей, содержащихся в силикатной массе. Отмечается, что при медленном нагреве (менее 50°С/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°С, 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°С/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.

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 ее 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 ее из формы осуществляют с постепенным снижением температуры, обеспечивающим разницу температур на поверхности и в центре вспученного материала, исключающую образование трещин в материале, со скоростью 0,06-2,0°С/мин. Причем температура вспучивания силикатной массы находится в интервале температур от 450°С до 900°С, 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 110 до 700 кг/м³ при коэффициенте теплопроводности от 0,035 до 0,17 Вт/(м·°С) 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 Вт/(м·°С). 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.

Способ реализуют следующим образом.

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 мас.%. 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 протекания 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°С. 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°С/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. Разница температур, вызывающая образование трещин в материале, зависит от множества факторов, в частности от плотности, прочности, габаритов и толщины материала. Обычно разница температур в 26-30°С дает от одной до нескольких трещин, разрушающих блок материала на несколько крупных фрагментов. Развитая трещинноватость, позволяющая разрушить материал на множество мелких фрагментов, может быть достигнута при разнице температур, существенно большей 30°С. Использование разницы температур для разрушения материала 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. Так же, 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°С. 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°С/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 (гидроксильньгх 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. Разница температур, исключающая образование трещин в материале, зависит от множества факторов, в частности от плотности, прочности, габаритов и толщины материала. Обычно разница температур в 20-25°С не вызывает образование трещиноватости в материале. 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 (°С/мин) охлаждения блока продукции может быть рассчитана по следующей эмпирической формуле:

V=150/h²,

где h - высота блока продукции, 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°С. В интервалах температур охлаждения - от температуры вспучивания до 600°С и от 150°С до 30-40°С может применяться повышенная скорость охлаждения, равная 2-4 расчетным скоростям.

Для практически применимых габаритов и толщин блоков (плит, скорлуп и пр.) продукции скорость охлаждения, обеспечивающая исключение трещин в материале, находится в интервале 0,2-2,0°С/мин.

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 также 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 цеолитсодержащий трепел природного месторождения следующего химического состава, мас.%:

SiO₂65,7Al₂О₃8,9СаО8,5Fe₂O₃0,3прочие16,6

Минералогический состав цеолитсодержащего трепела, мас.%:

опал28кварц16цеолит38монтмориллонит12кальцит5слюда1

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°С/мин подняли температуру до 680°С, 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°С. В результате быстрого охлаждения описанным способом в предварительно вспученной силикатной массе появились множественные трещины с отделением нескольких частей различной формы и размеров. При таком способе охлаждения зафиксирована разница температур на поверхности и в центре материала около 100°С.

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°С/мин нагрели до температуры 750°С, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 90 минут. Затем вспученная масса была охлаждена до температуры окружающей среды, которая в припечном пространстве составила 40°С. Охлаждение проводилось в течение 6 часов со средней скоростью около 2°С/мин, что соответствует расчетной скорости, полученной по вышеприведенной формуле, уменьшенной в 3 раза с учетом толщины блока. Готовый материал был извлечен из формы. При охлаждении материала разница температур на его поверхности и в центре не превысила 20°С.

Полученный строительный материал в виде блока размером 200×200×50 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 Вт/(м·°С), 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 450°С печь и нагрета до температуры 720°С, при которой в течение 40 минут было проведено предварительное вспучивание. Скорость нагрева силикатной массы составила в среднем около 4°С/мин. Затем нагревательные элементы печи были выключены, дверцу печи открыли и дали остыть образцу до 200°С, после чего вспученный материал был излечен из печи и охлажден естественным образом до температуры 50°С. 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°С/мин нагрели до температуры 720°C, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 90 минут. Затем вспученная масса была охлаждена до температуры 40°С в течение 16 часов со средней скоростью около 0,7°С/мин. Эта скорость охлаждения материала позволила обеспечила разницу температур в центре и на поверхности материала не более 25°С.

Полученный строительный материал в виде блока размером 400×400×120 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 Вт/(м·°С), 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, мас.%:

SiO₂87,2Al₂О₃2,6СаО2,4Fe₂O₃1,2прочие6,6

Минералогический состав опоки, мас.%:

опал90,4кварц7,0слюда0,8глауконит1,8

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°С, и со скоростью 6°С/мин подняли температуру до 710°С, 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°С. Затем вспученный материал был излечен из печи и охлажден естественным образом до температуры 35°С.

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°С/мин нагрели до температуры 750°С, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 60 минут. Затем вспученная масса была охлаждена до температуры 40°С в течение 20 часов со средней скоростью около 0,6°С/мин.

Полученный строительный материала в виде блока размером 400×400×120 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 Вт/(м·°С), 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 природногоместорождения следующего химического состава, мас.%:

SiO₂77,5Al₂О₃10,3СаО1,3Fe₂O₃3,8прочие7,1.

Минералогический состав диатомита, мас.%:

опал55,0кварц12,5цеолит4,9монтмориллонит19,0слюда3,5плагиоклаз + ортоклаз5,1

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°С/мин подняли температуру до 770°С, 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°С. Затем вспученный материал был излечен из печи и охлажден естественным образом до температуры 40°С. 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°С/мин нагрели до температуры 760°С, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 105 минут. Затем вспученная масса была охлаждена до температуры 40°С в течение 17 часов со средней скоростью около 0,7°С/мин.

Полученный строительный материал в виде блока размером 400×400×120 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 Вт/(м·°С), 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.

Пример 5.

Силикатная масса была получена так же, как и в примере 4.

Полученную силикатную массу на поддоне поместили в печь и со скоростью 6°С/мин подняли температуру до 740°С, при которой провели предварительное вспучивание посредством выдержки на этой температуре в течение 15 минут. После этого нагревательные элементы печи были выключены, вспученный материал был излечен из печи и охлажден естественным образом до температуры 40°С. Во вспученной силикатной массе, охлажденной описанным способом, появилось множество трещин с разделением 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 100 мкм. Измельченными частицами силикатной массы заполнили прямоугольную металлическую форму, закрыли металлической крышкой, поместили в муфельную печь и со скоростью 6°С/мин нагрели до температуры 740°С, при которой произвели вспучивание посредством выдержки в течение 120 минут. Вспученная масса была охлаждена до температуры 40°С в течение 58 часов со средней скоростью около 0,2°С/мин, которая соответствует расчетной скорости, полученной по вышеприведенной формуле, увеличенной в два раза с учетом толщины блока.

Полученный строительный материал в виде блока размером 600×600×400 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 310 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,090 Вт/(м·°С), прочность на сжатие - 57 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.

Изобретение относится к строительному материалу и способу его получения. В способе получения строительного материала, включающем получение исходной смеси смешиванием кремнеземсодержащего компонента, щелочного компонента и воды при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,50 и суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 2,0, получение гомогенной силикатной массы, заполнение ею формы, нагрев ее до температуры вспучивания, охлаждение вспученной массы до температуры окружающей среды и извлечение из формы готового строительного материала, перед заполнением формы силикатную массу подвергают предварительному вспучиванию нагревом ее до температуры вспучивания, охлаждению и измельчению, охлаждение вспученной массы перед извлечением ее из формы осуществляют с постепенным снижением температуры, обеспечивающим разницу температур на поверхности и в центре вспученного материала, исключающую образование трещин в материале, со скоростью 0,2-2,0°С/мин. Предлагаемый строительный материал получен указанным выше способом. Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик строительного материала. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы. 2 н. и 4 з.п. ф-лы.

1. Способ получения строительного материала, включающий получение исходной смеси путем 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 ее 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 ее из формы осуществляют с постепенным снижением температуры, обеспечивающим разницу температур на поверхности и в центре вспученного материала, исключающую образование трещин в материале, со скоростью 0,2-2,0°С/мин.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура вспучивания силикатной массы находится в интервале температур от 450 до 900°С.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 пп.1-5 и имеет плотность от 110 до 700 кг/м³ при коэффициенте теплопроводности от 0,035 до 0,17 Вт/(м·°С) и прочности на сжатие от 2 до 300 кгс/см².