ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Улучшение качества силикатного кирпича

Рекомендуемая область пременения

- Промышленность строительных материалов;
- промышленное и гражданское строительство.

Назначение, цели и задачи проекта

Для улучшения теплозащитных свойств кирпича до 0,6 ккал м х час х с, сокращения времени автоклавной обработки, повышение водостойкости.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Особенностью современного этапа развития строительного производства является формирование рынко-качественных материалов на основе местного сырья. Кирпич – прочный и долговечный материал. Срок службы кирпичных строений на надежных фундаментах практически не ограничен. Различают красный кирпич на основе глиняного сырья и белый силикатный. Белый кирпич изготавливается из песка и извести. Крупнейшим его производителем в Тюменском регионе является Тюменский завод силикатных строительных материалов. В течении 2000 года администрацией завода силикатных изделий и специалистами проектно-технологических институтов «Силбет» и «Промстройпроект» проработаны варианты технического перевооружения завода с выпуском на имеющихся производственных мощностях новых видов строительных материалов:

- кирпич силикатный рядовой;

- кирпич силикатный облицовочный;

- кирпич силикатный декоративный;

- пенобетон конструктивный;

- блоки теплоизоляционные из ячеистого бетона.

Основным видом продукции является силикатный кирпич, проектная мощность предприятия 120 млн. штук условного кирпича в год. Снижение расхода топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации кирпичных зданий – важнейшая народнохозяйственная задача, успешное решение которой непрерывно связано с повышением теплозащитных качеств наружных стен. Достижение этого традиционными способами приводит к увеличению материалоемкости кирпичных стен. Если же руководствоваться методами, применяемыми в панельном, каркасном и монолитном бетонном строительстве, т.е. введением в стены минеральных, фенолформальдегидных и других подобных утеплителей, то нарушается капитальность, долговечность и огнестойкость кирпичных зданий. Нарушается экологическая чистота помещений, обусловленная природой используемого сырья и технологией изготовления керамических и силикатных стеновых материалов.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Технология производства высокоэффективного силикатного кирпича основана на замене части кварцевого песка керамзитовым. Введение в силикатообразующую массу пористых добавок не только ведет к снижению веса кирпича, но и получению материала с принципиально новыми характеристиками – низким коэффициентом теплопроводности.

Рядом зарубежных технологий предлагаются: стеновые крупноразмерные блоки с улучшенной теплоизоляционной способностью, изготовляемые автоклавированием сформованного сырца из вяжущего, представляющего собой смесь извести, кизельгура и пористого заполнителя - керамзита; известково-песчаный кирпич, отличающийся улучшенными по сравнению с обычным силикатным кирпичом теплоизоляционными свойствами. Значение коэффициента теплопроводности достигает 0,2 Вт/м К. Кирпич производят из смеси извести и кремнеземистого заполнителя двух фракций - песчанистой фракции с размером зерен < 4 мм (30-60%) и грубой фракции с размером > 4 мм в количестве 40-70%. при чем в качестве песчанистой фракции используют смесь керамзитового песка и вспученного стекла.

Патентом Российских ученых (Валиев Г.Х.) предлагается способ приготовления смеси для силикатных мелкоштучных изделий. Способ включает: измельчение карбонатного и кремнеземистого компонентов, их обжиг, повторное измельчение и смешивание, увлажнение до формовочной влажности, прессование и запаривание в автоклаве (давление 10Атм. температура 178 °С в течение 12 часов). Отличительной особенностью данного состава является то. что в качестве кремнеземистого компонента используют глинистые вспучивающиеся породы, помол до фракции 0,4-1,2 мм с последующей пропиткой известковой суспензии (10% Са(ОН)₂ ). Предлагаемый способ позволяет в 1,5-2 раза снизить теплопроводность, на 50% повысить прочность при изгибе.

С целью разработки составов и изучения влияния керамзитового песка на реологические, физико-механические характеристики силикатного кирпича работа выполнена по следующим направлениям:

 - изучены    свойства    исходных    известково-кремнеземистых    вяжущих, силикатной массы, кварцевого песка;

 - установлены      основные      характеристики      фракций      применяемого керамзитового песка;

 - изучены закономерности влияния керамзитового песка различных фракций па технологические и механические свойства силикатного кирпича;

 - изучена   возможность  регулирования  свойствами     путем   оптимизации состава с использованием исходной силикатной массы, известково-кремнеземистого вяжущего и кварцевого песка.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

На первом этапе исследований проанализированы результаты, полученные при изготовлении серий образцов на основе силикатной массы, применяемой на предприятии, и керамзитового песка различных фракций, а именно 5-2,5 мм; 5-0,63 мм; <2,5 мм.

Содержание пористого заполнителя в смеси зависит от его плотности в куске, прочности, размеров и формы зерен.

Как свидетельствуют полученные данных, влияние керамзитового песка на свойства пористого силикатного бетона при дозировке песка в количестве до 26 мас.% происходит понижение как плотности так и прочности, причем снижение прочности превалирует над уменьшением плотности. Выбор применяемого зернового состава должен быть основан на технических и экономических критериях, а именно более эффективно использовать песок ограниченного фракционного состава от 0 до 2,5 мм. В этом случае сохраняются реологические характеристики массы, показатели прочности выше, чем при использовании крупно фракционного песка.

На втором этапе исследований составы готовились с применением известково-кремнеземистого вяжущего, кварцевого и керамзитового песков.

При постоянстве расхода известково-кремнеземистого вяжущего и доли кварцевого песка изучалось влияние керамзитового песка различного фракционного состава на свойства силикатной смеси и силикатного бетона.    

Анализ зависимости влияния керамзитового песка на плотность спрессованной массы и сухого образца после автоклавной обработке и данные прочности свидетельствуют, что наименьшее значение плотности может быть получено с использованием керамзитового песка крупной фракции 2,5-5 мм. Однако данный состав дает значительное снижение прочности после автоклавной обработке. Что обусловлено недостаточной степенью уплотнения. А именно, нет условий для получения оптимальной упаковки, так как гранулометрия песков прерывается. Кроме этого повышенная пустотность данного песка обуславливает повышение расхода вяжущего. Влияние водопотребности в данном случае не может быть фактором понижения прочности, так как высокая водопотребность компенсируется меньшей величиной поверхности зерен. Одним из главных факторов пониженной плотности является невысокое значение прочности зерна керамзитового песка.

Достаточно хорошие результаты получены при использовании фракции 0,63-5 мм. В данном случае зерновой состав кварцевого песка, в основном представленный тонкодисперсными зернами позволяет обеспечить оптимальную (для данной системы) упаковку.

Более целесообразно применение смеси песков кварцевого, при дозировках 10 - 10,5 % от спрессованной массы и керамзитового песка представляющего собой смесь фракций, то есть заполнитель   является    полифракционным   и   по   зерновому   составу    входит   в   область рекомендуемых песков. Увеличение В/Т отношения обусловлено наличием тонкодисперсных зерен керамзитового песка высокой водопотребности.

Увеличение В/Т отношения обуславливает уменьшение прочности спрессованного изделия. Следует отметить, что достижение требуемой пластической прочности в условиях производства может быть достигнуто за счет временного интервала затраченного на транспортировку подготовленной массы, так как капиллярно-пористая структура керамзитового песка кроме влаги адсорбированной поверхностью заберет часть влаги за счет водопоглощения.

На третьем этапе исследований были изготовлены образцы на основе кремнеземистого вяжущего и керамзитового песка фракции < 5 мм. Результаты исследований показывают что, с увеличением содержания керамзитового песка прочность сырца падает. Значительное снижение плотности идет при содержании керамзитового песка от 48 до 63%. Прочность после автоклавирования возрастает до 18 МПа при содержании керамзитового песка 22%.

В состав силикатной массы (выбранного варианта), введена гидрофобизирующая добавка, относящаяся к алкилсиликонатам в дозировке 0,02 мас.%. Установлено, что добавка приводит к увеличению плотности сырца с 1660 до 1715, что, возможно, обусловлено химическим и физическим процессом на границах раздела фаз. Результатом является несколько большее количество иммобилизированной воды, способствующей получению более плотной структуры.

Плотность готового изделия после автоклавной обработки увеличилась на 5.3%.. Прочность образцов превалирует над прочностью исходных без добавочных составов на 22 %.

Испытания образцов на сорбционную влажность показали, что с введением гидрофобизирующей добавки величина сорбируемой влажности не превышает 0,9% по массе и 14% по объему. В сравнении с контрольным составом, величина сорбционной влажности. уменьшается на 18% по массе и на 17,6% по объему, Можно сделать заключение о том, что эффективность применения гидрофобизирующей добавки в основном будет обусловлена снижением вероятных влажностных деформаций силикатного бетона. Модифицирование поверхности, порового пространства капилляров ограждающих конструкций не только снижает гигроскопичность и водопоглощение, но и увеличивает скорость влагоотдачи после увлажнения.

Эффект гидрофобизатора достаточно широко изучен и внедрен в технологии: производства как отделочных (лакокрасочных составов), так и в композиционные материалы на основе древесины и отходов ее переработки, гидроизоляционных штукатурных покрытий, для гидроизоляции минераловатных и стекловатных теплоизоляционных материалов Использование гидрофобизаторов в технологии теплоизоляционных материалов связано с изменениями теплопроводности при сорбционном увлажнении материалов.

Апробация введения пластифицирующей добавки ЛСТ не привела к значительным изменениям в сторону улучшения свойств. Изменение характеристик поровой структуры приводит так же к снижению сорбционной влажности на 27,3% по массе и 29,4% по объему.

Теплопроводность поризованного силикатного бетона зависит от теплофизических свойств пористого заполнителя, средней плотности и влажности изделия.

Учет влияния теплофизических свойств пористого заполнителя на теплопроводность может быть осуществлен по формуле:

?_б= ?_р*(2 ?_р+ ?_к-2?(?_р- ?_к))/(2 ?_р+ ?_к+ ?(?_р- ?_к)), где

?_р - теплопроводность растворной составляющей;

?_к - теплопроводность керамзита;

? - объемная концентрация пористого заполнителя.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Результаты испытания пробных составов.

Так для состава (выбранного состава) расчетный коэффициент теплопроводности при объемной концентрации керамзитового песка 57% составляет 0.43 Вт/м°К. Фактическое значение было установлено 0.45 Вт/м °К

С ростом влажности коэффициент теплопроводности будет возрастать (до максимальной сорбционной влажности).

На наш взгляд, связывать величину теплопроводности с содержанием стеклофазы недостаточно обоснованно, т.к. наличие реакционно способных фаз керамзитового песка, высокая пористость приводит к образованию в структуре зерна новых кристаллических фаз. Вероятнее всего обратить внимание на морфологические особенности новых фаз и изменение характера поровой структуры.

Новые потребительские свойства продукции

Повышаются теплозащитные качества наружных стен, долговечность и огнестойкость кирпичных зданий.
Экологическая чистота помещений не нарушается.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Исследования выполнены с применением: титраметрических, гравиметрических, рентгенофазовых методов исследования; стандартных физико-механических испытаний. Основополагающим материалом при проведении исследований являлись нормативно-технические документы, публикации (Бутта Ю.М, Волжанского А.А, Горшкова В.С, Тимашева В.В, Тейлора.Х.Ф.У.)
Для получения силикатного кирпича установлены закономерности регулирования параметров известково-кремнеземистых систем. Формирование конгломерата обусловлено комплексом различных процессов и химическими реакциями гидратации и образованием цементирующих новых фаз, физико-химическими процессами структурообразования, часто осложняемые нежелательными деструктивными явлениями. В связи с этим изучение кинетики твердения вяжущих представляет собой сложную задачу и требует применения комплексных методов исследования для определения отдельных показателей с целью последующего выявления связи между ними и установления общих закономерностей.
Силикатный камень является сложным поликристаллическим материалом и может быть исследован методами ДТА и РФА.
Рентгеновский метод использован для изучения фазового состава. Основанием для применения рентгеновского анализа является его универсальность и возможность установить продукты гидратации, т.е. решить задачу недоступную для большинства методов. Фазовый состав изучался методом порошковой дифракции на рентгеновской установке ДРОН. Для постоянства дифракционной картины обеспечит режим съемки: S-l, D-l 103, 20mA, 30kV, CuK2.
Основой данного метода является то, что каждое кристаллическое соединение дает специфическую рентгенограмму с определенным набором линий. Идентификация выполняется по совпадению дифракционных максимумов с эталонными рентгенограммами без противоречий в их относительной интенсивности.
Согласно методике формования составов силикатных структур с керамзитовым песком проводился расчет состава и определялся расход известково-кремнеземистого вяжущего, заполнителя и воды. Объем изготовленной смеси в уплотненном состоянии 1 дмЗ. Процесс перемешивания вяжущего и воды осуществлялся в течении 30 мин (по одной минуте через 5-минутные промежутки). При температуре ниже 50 °С смесь доводилась до данной температуры в пропарочной камере и поддерживалась в течении всего процесса работы. Для оценки физико-механических свойств формовались образцы-цилиндры и образцы-пластины 10x10x2,5 см для испытания на теплопроводность. Давление прессования 30 МПа. После формования определялась пластическая прочность сырца с использованием динамометра с ценой деления 4 Н. Твердение образцов по режиму 2+6+14 ч (до полного остывания автоклава). Давление в автоклаве 10 атм. Образцы подлежали испытанию в сухом состоянии.
1. Применение отсевов производства керамзитового гравия (ОПКГ) в технологии силикатного кирпича с целью снижения плотности имеет ряд особенностей по сравнению с использованием керамзитового песка:
- насыпная плотность ОПКГ составляет 800-900 кг/м3, что превышает аналогичный показатель для керамзитового песка в 2 раза;
- частицы ОПКГ имеют структуру с большим количеством открытых пор, а прочность их ниже, чем у частиц керамзитового песка, что создает концентрацию напряжений в контактном слое и в тонких прослойках матрицы и, как следствие, приводит к снижению прочности структуры.
2. Для получения приемлемой плотности силикатного кирпича 1450-1550 кг/м3 необходимо введение ОПКГ в количестве 800-900 кг на 1 м3, в отличие от 350-450 кг нормативного керамзитового песка. При этом необходимо исключить в составе формовочной смеси не молотый кварцевый песок.
3. Рекомендуемый для дальнейших разработок состав состоит из:
ИПВ-500 кг;
ОПКГ - 800 кг;
Водопотребность 205 л. Состав имеет следующие показатели качества:
Плотность - 1509 кг/м3;
Прочность после автоклавирования - 13,5 МПа
Прочность сырца - 1,25 МПа
Водопоглощение - 21,3%
Коэффициент теплопроводности - 0,43 Вт/м°С
4. Проведенные физико-химические исследования показали:
физико-механические и эксплуатационные характеристики силикатной структуры с мелким керамзитовым наполнителем определяется фазовым составом и морфологическими особенностями гидратных новообразований;
достаточная прочность при объемных концентрациях керамзитового наполнителя до 60% достигается наличием ксонотлита и высокоосновных гидросиликатов кальция игольчатой и фольгообразной формы; образующиеся ортосиликаты кальция цеолитообразного вида;
введение добавок-пластификаторов и гидрофобизаторов может улучшить формовочные параметры смеси и эксплуатационные свойства силикатной структуры с керамзитовым наполнителем;
известь-содержание и активные гидравлические добавки, к которым относятся металлургические шлаки, белитовые шламы, пыль-унос цементных заводов можно вводить в состав ИПВ при помоле в количестве 5-25% для частичной замены извести.
5. Для дальнейшей работы по отработке технологических параметров изготовления силикатного кирпича с керамзитовым наполнителем (ОПКГ) необходимо провести полупроизводственные испытания по принятой программе.

Предлагаемые инвестиции

Рынки сбыта

Свердловская, Челябинская, Пермская, Курганская области, Север Тюменской области, а также Казахстан, Татарстан, Башкортостан.

Возможность и эффективность импортозамещения

Используется оборудование немецкой фирмы «Боймер и Боймер».

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

Дата поступления материала

27.09.2006