Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к области переработки кремнеземсодержащего нерудного сырья: опал-кристобалитовых горных пород, а также глин и суглинков в пористые пеностеклокристаллические материалы, используемые в строительной индустрии и для теплоизоляции промышленного оборудования различного назначения.

Наряду с глинами и суглинками опал-кристобалитовые горные породы (диатомиты, диатомовые глины, трепелы и опоки) широко распространены по всему миру. Например, запасы опал-кристобалитовых пород севера Тюменской области в районах городов Новый Уренгой и Салехард (Уренгойская силиконовая подкова) насчитывают около 0,3 млрд. кубических метров [Нестеров И. И., Генералов П.П., Подсосова Л.Л. Западно-Сибирская провинция кремнисто-опаловых пород. - Советская геология, 1984, №3].

Известен способ получения строительного материала, предусматривающий смешивание кремнеземсодержащего компонента (опал-кристобалитовая горная порода), щелочного компонента и воды с получением смеси, в которой отношение содержания щелочного компонента (NaOH или КОН) к кремнезем-содержащему компоненту находится в диапазоне от 0,08 до 0,40 и отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к воде находится в диапазоне от 1,6 до 5,3 [Иваненко В.Н. Строительные материалы и изделия из кремнистых пород. - Киев: Будiвельнiк, 1978, с. 36-37, 98-105]. Перед смешиванием кремнеземсодержащий компонент частично сушат, а затем измельчают до основной фракции менее 0,14 мм. Смесь компонентов перемешивают до получения гомогенной массы, которую выдерживают не менее 2 ч для получения силикатной массы. Смесь нагревают до температуры вспучивания 650-900°С с последующим остыванием до температуры окружающей среды.

Недостатком способа является низкое качество получаемого материала: неоднородная пористость, недостаточные плотность, прочность при сжатии и коэффициент теплопроводности. Фактором, влияющим на низкое качество материала, является то, что вспучивают силикатную массу высокой влажности, что ведет к склеиванию частиц массы, образованию пустот, крупных и сообщающихся пор.

Известен способ получения строительного материала [патент РФ №2300506, МПК С04В 28/24], включающий смешивание кремнеземсодержащего, щелочного компонентов и воды при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,40 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 5,3 с получением гомогенной силикатной массы. С целью повышения качества материала силикатную массу сушат до остаточной влажности менее 5% и измельчают до размера частиц не более 100 мкм. Массой заполняют форму и нагревают до 600°C с частичной дегидратацией, а затем нагревают до температуры вспучивания в интервале от 650 до 900°С с постепенным снижением температуры до температуры окружающей среды. Нагревание до температуры 600°C может идти 36 ч, а выдержка при температуре вспенивания может достигать 5 ч.

Основные недостатки этого способа связаны со значительными затратами на измельчение высушенной массы до частиц размером не более 100 мкм и многочасовой выдержкой при температуре 600°С.

Упомянутые недостатки устранены в способе получения ячеистого строительного материала [патент РФ №2464251, МПК С04В 38/00, С04В 28/24, С04В 40/02, С04В 111/40, 2012]. Способ включает смешивание кремнеземсодержащего и щелочного компонентов и воды при отношении содержания щелочного компонента к содержанию кремнеземсодержащего компонента от 0,08 до 0,40 и отношении суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды до 5,3 с получением гомогенной силикатной массы, ее сушку и измельчение, заполнение массой формы и нагрев до температуры вспучивания в интервале от 650 до 900°С с последующим остыванием изделий до температуры окружающей среды. С целью снижения энергозатрат на получение материала силикатную массу после сушки измельчают до размера частиц 3,5-20 мм, а нагрев массы ведут при постоянном повышении температуры без остановки на частичную дегазацию.

Недостатком вышеописанного способа является низкая прочность материала, которая при средней плотности 420 кг/м³ не превышает 7,4 МПа.

Задачей изобретения является увеличение прочности материала при сжатии при сохранении его основных свойств.

Поставленная задача решается тем, что при получении пористого строительного материала на основе природного сырья, включающем смешивание кремнеземсодержащего и щелочного компонентов и воды до получения силикатной массы, ее сушку, измельчение и нагрев до температуры вспучивания в интервале от 650 до 900°С с последующим остыванием материала до температуры окружающей среды, в приготавливаемую силикатную массу вводят алюмосиликатный компонент (глина, суглинок) и силикатную смесь готовят при следующих массовых соотношениях: алюмосиликатный компонент к кремнеземсодержащему от 0,053 до 1,5, щелочной компонент к суммарному содержанию алюмосиликатного и кремнеземсодержащего компонентов от 0,08 до 0,40, содержание воды в смеси к суммарному содержанию алюмосиликатного, кремнеземсодержащего и щелочного компонентов от 0,1 до 0,3.

Смесь готовят в указанных соотношениях путем перемешивания кремнеземсодержащего, алюмосиликатного, щелочного компонента и воды до получения гомогенной массы. Затем смесь сушат с целью удаления излишней воды до получения твердой силикатной массы.

Сухую силикатную массу измельчают, нагревают в печах при непрерывном увеличении температуры до 650-900°С, при которой происходит вспенивание массы и затем охлаждают с получением пористого материала.

Согласно данным рентгенофазового анализа добавки таких тонкодисперсных алюмосиликатных пород как глины и суглинки увеличивают содержание в материале кристаллической фазы. Благодаря этому прочность материала может увеличиваться до 20%. При этом массовое соотношение алюмосиликатного компонента к кремнеземсодержащему ниже 0,053 не приводит к заметному повышению прочности, а при данном соотношении свыше 1,5 наблюдается увеличение средней плотности, что негативно сказывается на теплопроводности материала. Поэтому соотношение 0,053-1,5 является оптимальным.

Предлагаемый способ получения пористого материала на основе широко распространенных природных алюмосиликатных и опал-кристобалитовых пород поясняется примерами его осуществления.

Пример 1. В качестве кремнеземсодержащего компонента взят диатомит следующего химического состава, мас.%: SiO₂ - 87; Al₂O₃ - 4; Fe₂O₃ - 2; потери при прокаливании - 7. Массовое отношение едкого натра к сухому диатомиту составило 0,18. Отношение содержания воды к суммарному содержанию диатомита и едкого натра составило 0,22. Была приготовлена силикатная смесь, которую высушили в сушильной камере сразу после ее приготовления до постоянной массы. Сухую силикатную массу измельчили в дробилке до частиц со средним размером 5 мм. Дробленую смесь непрерывно нагревали до вспенивания в печи при температуре 775°C, затем остудили до комнатной температуры. Средняя плотность материала составила 420 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,110 Вт/(м·К), прочность при сжатии 7,4 МПа.

Пример 2. В качестве кремнеземсодержащего компонента взят диатомит (химический состав дан в примере 1). Алюмосиликатным компонентом служила глина следующего химического состава: SiO₂ - 67; Al₂O₃ - 17; Fe₂O₃ - 8; MgO - 1,5 потери при прокаливании - 6,5. Массовое соотношение компонентов смеси составило: алюмосиликатный компонент к кремнеземсодержащему 0,25, щелочной компонент к суммарному содержанию алюмосиликатного и кремнеземсодержащего компонентов 0,18, содержание воды в смеси к суммарному содержанию алюмосиликатного, кремнеземсодержащего и щелочного компонентов 0,22. Приготовили смесь и получили образцы материала аналогично примеру 1. Средняя плотность материала составила 430 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,110 Вт/(м·К), прочность при сжатии 8,2 МПа.

Пример 3. Химический состав компонентов смеси соответствовал примеру 2. Массовое соотношение компонентов смеси составило: алюмосиликатный компонент к кремнеземсодержащему 0,54, щелочной компонент к суммарному содержанию алюмосиликатного и кремнеземсодержащего компонентов 0,18, содержание воды в смеси к суммарному содержанию алюмосиликатного, кремнеземсодержащего и щелочного компонентов 0,22. Приготовили смесь и получили образцы материала аналогично примеру 2. Средняя плотность материала составила 440 кг/м, коэффициент теплопроводности 0,113 Вт/(м·К), прочность при сжатии 9,1 МПа.

Пример 4. Химический состав кремнеземсодержащего компонента смеси соответствовал примеру 2. Алюмосиликатным компонентом служилсуглинок следующего химического состава: SiO₂ - 76; Al₂O₃ - 8; Fe₂O₃ - 2,3; MgO - 2,2, CaO - 3,7, потери при прокаливании - 7,8. Массовое соотношение компонентов смеси составило: алюмосиликатный компонент к кремнеземсодержащему 0,54, щелочной компонент к суммарному содержанию алюмосиликатного и кремнеземсодержащего компонентов 0,18, содержание воды в смеси к суммарному содержанию алюмосиликатного, кремнеземсодержащего и щелочного компонентов 0,22. Приготовили смесь и получили образцы материала аналогично примеру 2. Средняя плотность материала составила 440 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,112 Вт/(м·К), прочность при сжатии 8,7 МПа.

Приведенные примеры показывают, что реализация способа позволяет повысить прочность материала.