Поризованная стеновая керамика преимущества и недостатки

Поризованная стеновая керамика преимущества и недостатки технологии.
http://www.stroinauka.ru/detailview.asp?d=12&dc=26&dr=5872
Статьи из научных изданий
Журнал "Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века" №4 (87) / 2006 18.04.2006
Поризованная стеновая керамика - преимущества и недостатки технологии
Рассмотрены способы получения поризованной керамики. Показаны основные преимущества и недостатки
различных технологий производства керамических стеновых и теплоизоляционных изделий средней плотностью
меньше 850 кг/м3. Рассмотрена технология пенокерамических материалов с высокими строительноэксплуатационными свойствами на основе распространенных легкоплавких глинистых пород.
В жилищном и промышленном строительстве широко используются как плотные, так и пористые материалы. Например,
наряду с плотными бетонами разработаны и применяются ячеистые бетоны, наряду с плотными гипсовыми изделиями пеногипсовые. В производстве же стеновых керамических материалов производится только кирпич плотной структуры с
тем или иным количеством крупных пустот, который, безусловно, сохранит свою актуальность на протяжении еще
долгих лет. Имеется лишь небольшой опыт производства пористо-пустотелых керамических изделий путем введения
выгорающих добавок.
Учитывая вышесказанное, уменьшение плотности стеновой керамики именно за счет создания пористой структуры
материала является актуальной проблемой, решение которой позволит значительно снизить материалоемкость производства и увеличить
теплозащитные свойства стеновых ограждений.
Известны шесть основных способов поризации структуры строительных материалов:






вспучивание,
удаление порообразователя,
неплотная упаковка,
контактное омоноличивание,
объемное омоноличивание,
создание комбинированных структур.
При разработке технологии поризованной стеновой керамики в той или иной мере находят применение все названные способы. Однако на практике
для снижения плотности керамических изделий используют совместно, в основном, два из них: способ пустотообразования и способ удаления
порообразователя.
Применение в промышленности строительной керамики способа выжигания порообразователя, вводимого в состав исходной керамической массы,
позволило частично решить как вышеобозначеные проблемы, так и проблемы, связанные с экономией топлива и утилизацией топливосодержащих
отходов. В настоящее время в качестве выгорающих добавок часто используют древесные опилки, уголь, лигнин, отходы картонно-рубероидного
производства и др.
В 80-е годы прошлого века за рубежом получила распространение технология изготовления пористо-пустотелых изделий «Poroton», разработанная в
Германии и Швеции. Патент на изготовление этих изделий был приобретен 32 странами мира. Так например, изделия «Poroton» получают методом
пластического формования, используя в качестве выгорающей добавки вспененный полистирол. В результате выгорания полистирола формируется
закрытая ячеистая структура, что благоприятно сказывается на физико-механических показателях изделий. Однако опыт производства пористопустотелых изделий в Германии показал, что добавка полистирола пригодна не для всех глин. Как правило, используются высокопластичные или
пластифицированные, тщательно подготовленные глины. Недостатком этой технологии является значительный выброс продуктов сгорания
полистирола в окружающую атмосферу. В связи с этим введение вспененного полистирола в качестве выгорающей добавки в настоящее время не
применяется.
С 2000 года на ЗАО «Победа» применяется технология выжигания порообразователя по выпуску пустотелых керамических камней большого формата
510x250x219 мм. В качестве выгорающей добавки используются тонкоизмельченные древесные опилки. Средняя плотность камня составляет 790
кг/м3, пустотность - 46 %, коэффициент теплопроводности кладки - 0,195 Вт/(м°С). Камень выпускается с маркой по прочности М75 и М100, по
морозостойкости - не ниже F50. Укрупненные пористо-пустотелые керамические изделия средней плотностью 850~960 кг/м3 выпускают также ЗАО
«Норский керамический завод», ЗАО НПО «Керамика» и др.
По рекламным данным, применение крупноформатных пористо-пустотелых изделий в кладке в комбинации с лицевым кирпичом позволяет создавать
ограждающие стеновые конструкции толщиной 640 мм, которые удовлетворяют современным требованиям по теплозащите зданий. Однако
применение таких изделий ограничено в связи с тем, что предел прочности при сжатии кладки, выполненной даже на весьма прочном растворе,
составляет лишь 30-50% и менее от предела прочности изделий.
Такая же технология производства пористо-пустотелых изделий средней плотностью 750~850 кг/м3 предлагается многими зарубежными компаниями.
По результатам физико-механических испытаний керамические блоки относятся к стеновым изделиям марки М150. Предел прочности при сжатии
отдельных изделий составляет от 19 до 22,5 МПа. А предел прочности при сжатии столба кладки из этих изделий составляет всего 3,5 - 4,2 МПа, то
есть только 15,5-22% от прочности изделий.
Основная причина такого снижения прочности заключается в высокой пустотности изделий, размерах и форме пор, а также в расклинивающем
действии кладочного раствора, частично затекающего в пустоты и вызывающего растягивающие напряжения в изделиях. Среди других причин
снижения прочности кладки из высокопустотных керамических изделий можно назвать следующие:


неравномерное распределение давления по поверхности кирпича, вызывающее в нем кроме сжатия напряжения изгиба и среза;
трещины, возникающие в плоскости вертикальных швов, могут проходить по сечениям кладки, ослабленным пустотами и т.д.
Решить данную проблему можно частично путем подшлифовки оснований изделий, применения современных кладочных клеевых растворов, а также
использования специальных сеток, исключающих попадание раствора в пустоты изделий. Однако в России указанные технологические приемы,
несмотря на рекомендации производителей, пока не применяются.
Некоторые заводы используют в качестве выгорающих добавок уголь, углеотходы и золы. Их вводят в количестве,
соответствующем 60-80% расхода топлива. Реализованы в производстве технологии пористо-пустотелых изделий на
основе 100% углеотходов. Но высокая продолжительность обжига таких изделий, неравномерность выгорания угля
требуют все же введения корректирующих добавок.
Таким образом, технология с использованием выгорающих добавок не требует разработки принципиально нового
оборудования и реализуется в условиях действующих заводов по выпуску обыкновенного кирпича. Однако следует
признать, что при получении изделий со средней плотностью ниже 850~950 кг/м3 возникает множество проблем
(необходимость использования средне- или высокопластичного глинистого сырья, тонкого измельчения выгорающей
добавки, увеличения продолжительности обжига, снижение прочности и т.д.).
Существенным недостатком способа неплотной упаковки является весьма низкая прочность изделий при соответственно высокой средней
плотности. Так, предел прочности при сжатии обожженных изделий средней плотностью 1000-1100 кг/м3 на основе глинистого сырья составляет
всего 4-5 МПа.
Способ объемного омоноличивания в технологии стеновой керамики применяется весьма ограниченно. Причина этого заключается в том, что для
существенного снижения плотности необходимо использовать высокопористый заполнитель. Как правило, низкая прочность высокопористого
заполнителя не позволяет осуществлять интенсивную массопереработку и формование изделий методами пластического формования или полусухого
прессования. Недостатком этого способа является также двойной обжиг заполнителя (вспучивание, затем обжиг в кирпиче), а высокая средняя
плотность и низкая прочность полученного материала не позволяют ему конкурировать с керамическими материалами, получаемыми традиционным
методом пластического формования с применением различных выгорающих добавок.
Способ вспучивания включает следующие модификации: высоко - и низкотемпературное газообразование, пенообразование, аэрирование, сухая
минерализация пены.
Материалы, полученные по этому способу, имеют ячеистое строение, которое формируется при высоких (высокотемпературное газообразование) и
низких (низкотемпературное газообразование, пенообразование и др.) температурах. Величина пористости зависит от состава исходной шихты и
режимов обработки и определяет плотность изделий. С изменением плотности в широких пределах изменяются и другие свойства пористых
керамических материалов.
Наиболее важное преимущество способа вспучивания по сравнению с приведенными выше, заключается в возможности значительного снижения
плотности керамических стеновых изделий (вплоть до 250-300 кг/м3). Данный способ позволяет отказаться от прессового и другого энергоемкого
оборудования, работающего с большими усилиями, имеющего большую мощность и подвергающегося износу. Наиболее существенный недостаток
способа -необходимость разработки и изготовления специального промышленного оборудования, что требует привлечения дополнительных
инвестиций.
К недостаткам метода высокотемпературного газообразования следует отнести следующие:

необходимость использования вспучивающихся глин, которые не распространены повсеместно, или приготовление сложной сырьевой шихты



определенного состава;
строгие требования к полуфабрикату погранулометрическому составу;
высокотемпературный обжиг, который чаще всего осуществляется в две стадии в отдельных тепловых агрегатах, что приводит к повышенному
расходу топлива;
обжиг в специальных формах требует применения дефицитных жаростойких материалов и использования обмазки.
Однако при всех ее недостатках данная технология может быть реализована на заводах по производству керамзита (при условии разработки
специального оборудования). Следует отметить также, что метод высокотемпературного газообразования позволяет исключить процесс сушки
изделий. Необходима лишь сушка гранул или сырьевых компонентов, которая осуществляется в сушильном барабане.
Важным переделом технологий пористокерамических изделий методами низкотемпературного газообразования, пенообразования и аэрирования
является довольно сложная и на первый взгляд энергетически затратная шликерная подготовка сырья. Однако и она имеет весьма значительные
преимущества:



способствует полному разрушению природной структуры и усреднению керамической массы, что позволяет использовать потенциальные
возможности глинистого сырья для образования пористой структуры изделий. При этом исключается энергоемкий сухой помолкомпонентов
(метод сухой минерализации пены);
позволяет практически полностью удалить каменистые включения, присутствующие почти во всех глинах;
позволяет вводить и равномерно распределять как твердые, так и жидкие корректирующие добавки, даже в небольшом количестве.
Существенным недостатком шликерного способа подготовки сырья часто и в большей степени не обоснованно считают повышенное водозатворение
керамических масс, и как следствие, высокие затраты энергии на ее удаление при сушке. Однако этот факт является справедливым только при
получении плотных керамических изделий.
Сравним количество испаряемой воды с плотных и пористых изделий одинакового объема.
Массу испаряемой воды можно определить из формулы:
mb = Waбс mc ,
где Waбс- абсолютная формовочная влажность, кг/кг; mc - масса абсолютно сухого изделия, кг.
Примем во внимание тот факт, что абсолютная формовочная влажность пористокерамических изделий (50-70%) в среднем в 3 раза выше влажности
изделий пластического формования (17-23%). А плотность абсолютно сухих изделий в среднем составляет: 600 кг/м3 - для газо - и пенокерамического
кирпича и 1800 кг/м3 - для полнотелого кирпича пластического формования. Таким образом, при сушке изделий одинакового объема масса абсолютно
сухого пористокерамического кирпича в 3 раза меньше массы абсолютно сухого кирпича пластического формования; следовательно, в данном случае,
количество испаряемой воды с единицы изделия будет одинаково.
Необходимо отметить, что отличительной особенностью процесса обжига газо - и пенокерамики по сравнению с керамическими материалами
пластического формования или полусухого прессования является возможность его интенсификации в связи с высокопористой структурой, поры
которой препятствуют развитию трещин.
К недостаткам методов низкотемпературного газообразования, пенообразования, аэрирования и сухой минерализации пены следует отнести
многокомпонентный состав сырьевых материалов; высокую воздушную усадку сырца, которая достигает 15-20%; большой парк форм; использование
обмазки и промывки форм.
До настоящего времени основной проблемой технологии газо - и пенокерамических изделий являлась стабилизация поризованной массы в формах,
которая осуществляется добавкой строительного гипса (от 10 до 20 % по массе сухого вещества). Использование гипса с экологической точки зрения
не приемлемо, так как в этом случае при обжиге воздушная среда интенсивно загрязняется сернистыми газами. В противном случае, получение
устойчивой и прочной сырцовой структуры материала становится проблематичным из-за значительной осадки пеномассы и, как следствие,
разрушения структуры сырца. При этом прочность при сжатии обожженных изделий обычно не превышает 2 МП а для средней плотности 800 кг/м3.
В институте ВНИИстром им. П.П. Будникова совместно с МГСУ разработана технология производства пенокерамических стеновых и
теплоизоляционных изделий средней плотностью 400-700 кг/м3 на основе легкоплавких глин методом пенообразования.
Отличительной особенностью разработанной технологии является формирование устойчивой сырцовой структуры за счет регулирования процессов
коагуляции глинистой составляющей в поризованной керамической массе, что позволяет:





отказаться от применения гипса в качестве стабилизатора пеномассы;
повысить структурную прочность сырца в начальный период сушки;
осуществить распалубку изделий через2~3 часа после формования и интенсифицировать процесс сушки;
повысить трещиностойкость изделий;
снизить воздушную усадку до 6-10 %, в зависимости от глинистого сырья и состава пенокерамических масс.
Предел прочности при сжатии пенокерамических изделий средней плотностью400-700 кг/м3 и размером 250x120x65 мм (см. рис.) по данной
технологии составляет 2,5-7,5 МПа, теплопроводность - 0,11-0,16 Вт/м°С, морозостойкость - не менее50 циклов. Следует отметить, что предел
прочности при сжатии кладки из пенокерамических изделий составляет 80~92% отпредела прочности самих изделий, что позволяет эффективно
применять пенокерамические материалы в стеновых конструкциях. Что касается разработки специального оборудования, то авторами предложен ряд
технических решений способствующих этому. В настоящее время разрабатывается технология производства крупноформатных пенокерамических
изделий размером 510x380x220 мм.
В.А. Езерский, к.т.н.; Д.В. Кролевецкий, к.т.н.; ОАО «ВНИИстром им. П.П. Будникова»; Г.И. Горбунов, к.т.н., профессор МГСУ
Рубрика: Концепция инновационной деятельности
Рубрика: Материалы