Способ получения строительного материала - RU2333176C1

Описание

Изобретение относится к области строительной индустрии, в частности к способу получения строительного материала.

Известен способ получения строительного материала из исходной смеси, содержащей кремнеземсодержащий компонент - кремнистую породу, щелочной компонент, цинкосодержащий 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 0,8 до 2,2. В качестве кремнистой породы 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. 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 0,8 до 2,2. 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 паров воды. Пар образуется из воды, получаемой при частичной дегидратации в указанном температурном интервале некоторых видов гидроксидов, содержащихся в силикатной массе. Также в парообразовании участвует физическая вода, находящаяся в силикатной массе. Получаемый материал имеет пористость 78-89 об.%, плотность от 134 до 302 кг/м³, коэффициент теплопроводности от 0,074 до 0,098 Вт/(м°С) и прочность при сжатии от 2 до 10 кгс/см² (патент РФ №2053984, 1996). 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 хорошие вышеперечисленные характеристики материала, а именно его плотность, прочность при сжатии и коэффициент теплопроводности. В частности, материал плотностью 134 кг/м³при приемлемой (для данной плотности) прочности при сжатии в размере 2 кгс/см² имеет недопустимо высокое (для данной плотности) значение коэффициента теплопроводности 0,074 Вт/(м°С). С другой стороны, материал плотностью 302 кг/м³ при приемлемом значении коэффициента теплопроводности 0,098 Вт/(м°С) имеет достаточно низкое значение прочности при сжатии в размере 10 кгс/см². Кроме того, материал имеет высокую стоимость вследствие высокого значения отношения щелочного компонента к кремнеземсодержащему компоненту в исходной смеси (0,4-0,5), а также за счет использования в исходной смеси цинкосодержащей добавки. Использование в приготовлении исходной смеси цинкосодержащей добавки не улучшает структуры материала. Перечисленные недостатки препятствуют организации промышленного производства и ограничивают широкое применение этого материала.

Известен также способ получения строительного материала (В.Н.Иваненко. "Строительные материалы и изделия из кремнистых пород", Киев: Будiвельнiк, 1978, с.36, 37, 98-105), в котором 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 0,08 до 0,40 и отношение суммарного содержания кремнеземсодержащего и щелочного компонентов к содержанию воды находится в диапазоне значений от 1,6 до 5,3. Перед смешиванием из кремнеземсодержащего компонента частично удаляют физическую воду - сушат и затем измельчают до основной фракции менее 0,14 мм. Смесь исходных компонентов перемешивают и получают гомогенную массу, которую выдерживают не менее двух часов для протекания реакций силикатообразования и получения силикатной массы, которой заполняют формы и нагревают до температуры ее вспучивания в диапазоне температур 650-900С° с последующим остыванием до температуры окружающей среды и извлечением из форм строительного материала. Вспучивание силикатной массы обеспечивается за счет паров воды. Пар образуется из воды, получаемой при частичной дегидратации в указанном температурном интервале некоторых видов гидроксидов, содержащихся в силикатной массе. Также в парообразовании участвует физическая вода, находящаяся в силикатной массе. Недостатком этого способа является невысокое качество получаемого материала, проявляющееся в неоднородности пористости и неудовлетворительном сочетании характеристик материала - плотности, прочности при сжатии и коэффициенте теплопроводности.

Наиболее близким аналогом для заявленного способа является способ получения строительного материала, включающий смешение кремнистой породы, щелочного компонента - растворимого стекла, силикат-глыбы, гидроксида щелочного металла - щелочи и воды с получением гомогенной массы, ее выдержку для образования гидросиликатов, которую осуществляют пропариванием при температуре 75-90°С, дробление или измельчение и последующий обжиг для вспучивания - при температуре 250-450°С, при этом используют кремнистую породу состава, мас.%: SiO₂ 83,1-93,3, AL₂О₃ 2,3-5,7, Fe₂O₃ 0,5-6,1, CaO 0,6-1,4, MgO 0,1-0,8, Na₂O 0,2-0,7, K₂O 0,2-0,4, смешение осуществляют при следующем соотношении компонентов, мас.ч:

(WO №9733843, 19.09.1997).

Целью заявленного способа является повышение эксплуатационных свойств получаемого материала.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения строительного материала, включающем смешение кремнистой породы, щелочи и воды с получением гомогенной массы, ее выдержку для образования гидросиликатов и последующий обжиг, используют кремнистую породу состава, мас.%: SiO₂ 30-98, AL₂О₃ до 20, Fe₂О₃ до 8, CaO до 25, MgO до 8, осуществляют ее сушку, термообработку при 250-700°С в течение не менее 0,5 часа, измельчение до фракции менее 5 мм, затем указанное смешение при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанную выдержку осуществляют при температуре от 0 до 150°С в течение не менее 0,2 часа, затем проводят сушку и термообработку при 250-700°С в течение не менее 0,5 часа.

В частных случаях выполнения заявленного способа при получении конструкционного материала термообработку указанной породы осуществляют при 350-700°С, а соотношение компонентов следующее, мас.%:

и дополнительно минеральный пигмент сверх 100% в количестве 0-10 мас.%, затем полученную смесь гранулируют или укладывают в форму, на поддон или на полотно конвейера, осуществляют указанные выдержку, сушку, термообработку при температуре 350-700°С и обжиг при температуре 800-1300°С в течение 0,2-12 часов, при смешении дополнительно вводят до 70 мас.% заполнителя, или после смешения компонентов осуществляют указанные выдержку, сушку, термообработку шихты, затем производят ее дробление до фракции менее 5 мм, дополнительно вводят до 70 мас.% заполнителя или 0-10 мас.% минерального пигмента, затем укладывают в формы или на полотно конвейера или гранулируют и производят обжиг, при получении конструкционно-теплоизоляционного или теплоизоляционного материала термообработку указанной породы осуществляют при 250-450°С, а соотношение компонентов следующее, мас.%:

и дополнительно минеральный пигмент сверх 100% в количестве 0-10 мас.%, после указанной выдержки, сушки осуществляют дробление до фракции менее 5 мм, термообработку при 250-650°С в течение не менее 0,5 часа и обжигают при 660-1000°С в течение 0,2-12 часов или после смешения компонентов осуществляют указанные выдержку, сушку, производят термообработку при 450-650°С в течение не менее 0,5 часа, а затем - измельчение до фракции менее 5 мм и обжиг при 660-1000°С в течение 0,2-12 часов, дополнительно перед обжигом к смеси добавляют до 90 мас.% минерального легкого заполнителя или 0-10 мас.% минерального пигмента, при получении гранулированного конструкционно-теплоизоляционного или теплоизоляционного материала смешивают компоненты и дополнительно вводят 0-10 мас.% минерального пигмента, затем гранулируют, осуществляют указанную выдержку, сушку, термообрабатывают при 250-650°С в течение не менее 0,5 часа и обжигают при 660-1000°С в течение 0,2-12 часов, обжиг осуществляют в форме, на поддоне или на полотне конвейера, при получении композитного материала при смешении дополнительно вводят до 90 мас.% измельченных: металлической руды, кокса, графита, промышленных отходов (в качестве последних могут быть использованы, в частности, твердый остаток с мусоросжигающих заводов, отходы металлургического производства - например, окалина Орловского сталепрокатного завода объединения Северсталь, некоторые твердые отходы атомной промышленности и т.п.), затем полученную смесь гранулируют или укладывают в форму, на поддон или на полотно конвейера, осуществляют указанную выдержку, сушку и термообработку при 250-650°С в течение не менее 0,5 часа и обжиг при 650-1300°С в течение 0,2-12 часов или после смешения компонентов осуществляют выдержку, сушку, термообработку шихты, затем производят ее дробление до фракции менее 5 мм, после чего вводят измельченные: металлическую руду, кокс, графит, промышленные отходы, затем полученную смесь укладывают в формы или на полотно конвейера или гранулируют и производят обжиг.

Кремнистым сырьем называются осадочные и вулканогенно-осадочные горные породы - опоки, трепела, диатомиты, спонголиты, радиоляриты и др., имеющие в своем составе 30-90% аморфного кремнезема, 10-40% глинистого материала - в основном монтмориллонита и в качестве постоянной примеси - обломочный песчано-алевритовый материал - кварц, глауконит и др. - до 10%, что обеспечивает химический состав, мас.%: SiO₂ 30-98, AL₂О₃ до 20, Fe₂О₃ до 8, СаО до 25, MgO до 8.

Щелочи - гидроксид натрия NaOH или гидроксид калия КОН.

Кремнистое сырье с входящими в его состав кремнеземом, песчано-алевритовым материалом и глинистой составляющей подвергается до смешивания с остальными компонентами термической обработке в диапазоне 250-700°С в течение определенного времени, в результате чего полностью или частично теряет свои сорбционные свойства и свойства к набуханию в связи с разрушением пористой структуры и полным или частичным выделением химически связанной воды и гидроксила, находящихся в структуре минералов. При этом потеря сорбционных свойств и свойств к набуханию происходит постепенно с увеличением температуры.

Длительность термической обработки зависит от минералогического состава сырья конкретного месторождения кремнистых пород. Термообработке подвергают измельченное кремнистое сырье. Дробление и помол кремнистого сырья осуществляют обычно до порошкообразного состояния с фракцией менее 5 мм. Сырье карьерной влажности невозможно дробить или молоть, т.к. оно налипает на рабочие органы оборудования, поэтому его сушат до удаления влаги.

Время обработки для сырья, например, Образцовского месторождения, составит 6 часов, а для сырья Хотынецкого месторождения составит 8-10 часов, т.к. в нем больше глины. При изменении количества добавляемой щелочи изменится сорбционная способность сырья: чем меньше щелочи - тем меньше время обработки и наоборот. Таким образом, для каждого месторождения необходимо экспериментально подбирать режимы температурной обработки сырья, т.е. регулировать его сорбционно-реакционную способность и количество вводимой щелочи в зависимости от того, какую продукцию хотим получить, руководствуясь при этом общими правилами, изложенными в описании.

Сорбционная способность монтмориллонита уменьшается с увеличением температуры обработки кремнистой породы и временем выдержки и при температуре 400-450°С падает до нуля, но гидроксильные группы ОН сохраняются и дают дополнительное количество пузырьков при получении пористого материала.

Монтмориллонит в химическую реакцию со щелочью не вступает, а лишь выступает в роли сорбента, удерживающего большее или меньшее количество воды, участвующей в получении пористого материала, обработка щелочью увеличивает сорбционные способности глины за счет ионов натрия.

Виды воды, содержащейся в сырье:

- физическая или свободная вода - удаляется при температуре 100-250°С;

- химическая вода - находится в мельчайших порах сырья и связана с сырьем водородными связями - удаляется при температуре 250-400 (450)°С;

- гидроксил (ОН) удаляется при температуре 400 (450) - 700°С.

Аморфный кремнезем вступает в химическую реакцию со щелочью с образованием

жидкого стекла Na₂O*nSiO₂, состоящего из большого количества различных гидросиликатов

SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂О (это одна из возможных реакций).

Разложение гидросиликатов происходит при температуре выше 650°С, что обеспечивает получение пористых материалов.

Кремнезем при этом выступает в двух видах - сорбент и химический реагент, но при увеличении температуры эти его качества постепенно уменьшаются и при температуре выше 600-700°С уменьшаются до нуля.

Кроме кремнезема и монтмориллонита в получении пористого материала надо учитывать гидроксильные группы, удерживаемые атомами железа и алюминия:

Гамма Fe₂О₃+Н₂О=альфа Fe₂О₃ - разложение происходит при 350-450°С.

Диаспор Al(OH)₃=Al₂О₃+H₂О - разложение происходит при температуре выше 450-500°С.

Практически из сырья любого месторождения кремнистых пород можно получать любые требуемые материалы от легких теплоизоляционных до сверхпрочных конструкционных, руководствуясь следующими правилами:

- для получения легкого пористого материала необходимо оставить максимум воды в виде гидроксильных групп, содержащихся в сырье, путем регулируемой активации его сорбционных и реакционных свойств, при обработке большим или меньшим количеством щелочи. Количество удерживаемой воды сырьем сначала возрастает (при 2-8 мас.% щелочи), затем достигает максимума (20-30 мас.% щелочи) и падает до нуля (при более 40 мас.% щелочи);

- для получения высокопрочного конструкционного материала необходимо убрать максимум химической воды и гидроксильных групп, чтобы исключить возможность образования пузырьков, снижающих прочностные свойства материала.

В качестве минерального легкого заполнителя могут быть использованы вспученные вермикулит, перлит, а также керамзит, пемза, туф, ракушечник.

Примеры получения продукции.

При проведении испытаний использовалась кремнистая порода Хотынецкого месторождения, состава, мас.%:

SiO₂ 65, AL₂О₃ 12, Fe₂O₃5, СаО 1,5, MgO 0,43.

1. Конструкционно-теплоизоляционный материал, - например, кирпич, стеновой блок и тому подобное.

Добытое сырье измельчается в глинорыхлителе до фракции 10-20 мм, сушится и термообрабатывается в проходной конвейерной или вращающейся барабанной или щелевой сушильной камере при температуре 400°С в течение 8 часов. Затем сырье измельчается в молотковой дробилке до фракции 100% менее 5 мм и смешивается в бетономешалке с водным раствором щелочи в соотношении (в пересчете на сухие компоненты) 20 мас.% щелочи на 80 мас.% порошка кремнистой породы. Щелочь используется марки РД при концентрации водного раствора 46%. Вода используется в количестве, обеспечивающем смачивание порошка кремнистой породы и равномерность перемешивания компонентов. Измельчение сырья до указанной фракции обусловлено компромиссом между затратами на измельчение и полнотой и скоростью протекания реакции взаимодействия между кремнеземом и щелочью.

Смешанные компоненты (шихта) выдерживаются при комнатной температуре 2 часа для проведения реакции силикатообразования (можно выдерживать при положительной температуре сколь угодно долго, но тогда возрастают затраты на хранение шихты). Для сокращения времени проведения реакции силикатообразования целесообразно проведение реакции при повышенной температуре, причем с увеличением температуры на 10°С скорость химической реакции удваивается. После проведения реакции силикатообразования шихта высушивается при 0-350°С в течение 6 часов до полного удаления физической и, частично, химической воды. Верхний предел температуры сушки 350°С связан с необходимостью сохранения гидроксильных групп на AL и Fe.

После сушки шихта дробится до фракции 100% менее 0,5-1,0 мм и повторно термообрабатывается при температуре 300-350°С в течение 6 часов. Операции дробления и повторной термообработки обусловлены необходимостью удаления остатков физически и химически связанной воды в пористой структуре шихты, которая может вызвать неоднородность получаемого материала в виде различных дефектов. Перед термообработкой в состав шихты вводят минеральный пигмент для получения продукции требуемого цвета, в данном случае - охры 3% сверх 100%, негорючий минеральный легкий заполнитель (в частности, перлит, зола). В данном случае перлит вводят перед термообработкой.

Полученная шихта засыпается в формы и подвергается обжигу, при котором вспучивается при температуре 680°С. Время выдержки на температуре вспучивания зависит от размера формы с шихтой и требуемой степени остеклованности продукции (что связано с водопоглощением и морозостойкостью получаемого материала). Чем больше размеры формы и ниже требуемое водопоглощение материала - тем больше время выдержки (до 12 часов), чем выше степень остеклованности продукции (стекло в прямом смысле надо варить) - тем больше время выдержки. При увеличении температуры время варки стекла уменьшается. В данном случае время выдержки составило 6 часов.

Результат: получен конструкционно-теплоизоляционный материал со следующими характеристиками:

- плотность 400 кг/м³

- водопоглощение при полном погружении за сутки - менее 2% (по объему)

- морозостойкость - 100 циклов

- теплопроводность - 0,1-0,12 Вт.м/град.К

- прочность на сжатие - не менее 60 кг/см².

Применение:

а) Блоки, сегменты, кирпич.

Большой блок ленточными пилами распускается на стандартные изделия, - например, 600·300·200 мм.

б) Гранулированный материал,

Технология получения гранул: шихта (смесь) после смешивания компонентов сразу закатывается в гранулы диаметром 5-10 мм на тарельчатом грануляторе, которые выдерживаются, сушатся и термообрабатываются при 300-350°С в течении 6 часов и вспучиваются во вращающейся или в конвейерной печи при 700-750°С за время до 0,5 часа. За счет небольшого размера гранул время вспучивания сокращается.

Насыпная плотность составляет 200-250 кг/м³.

2. Теплоизоляционный материал - плиты, блоки, сегменты и тому подобное.

Термообработка сырья - 300°С, время - 8 часов, далее дробление до фракции 0,5 мм и смешивание с водным раствором щелочи в соотношении 80 мас.% порошка кремнистой породы с 20% водного раствора щелочи в пересчете на сухие компоненты, выдержка 2 часа при 60°С, сушка при температуре 300°С за 6 часов, дробление до величины фракции 0,5-1,0 мм, повторная термообработка при температуре 300°С 8 часов. Вспучивание обжигом осуществляют при температуре 680°С в течение 6 час.

Результат:

- плотность - 180-200 кг/м³

- водопоглощение - меньше 5%

- морозостойкость - 100 циклов

- теплопроводность - 0.06-0,07 Вт.м/град.К

- прочность на сжатие - 15-25 кг/см²

Как видно из полученных результатов при одинаковом соотношении компонентов из сырья одного и того же месторождения за счет разных режимов термообработки получены материалы, отличающиеся по своим характеристикам.

3. Получение конструкционного материала - тротуарная плитка, кирпич, блок, гранулы, фасонные изделия и тому подобное.

Добытое сырье измельчается и термообрабатывается при температуре 430-450°С в течение 8 часов, после чего смешивается с водным раствором щелочи в соотношении 92 мас.% порошка кремнистой породы с 8 мас.% водного раствора щелочи в пересчете на сухие компоненты. Вода используется в количестве, обеспечивающем формовочные свойства шихты, в данном случае 50 мас.% от массы сухих компонентов. Отформованные изделия выдерживаются при 20°С - 1 час для прохождения реакции силикатообразования и сушатся при температуре 70-110°С в течение 10 часов, после чего термообрабатываются при температуре 350°С в течение 6 часов до полного удаления физической и химической воды (гидроксильную воду, имеющуюся в небольшом количестве, можно не удалять, т.к. это не влияет на эксплутационные свойства продукции). Обжиг изделий производится при температуре 1200°С в течение 5 часов.

Результат: получен высокопрочный конструкционный материал со следующими характеристиками:

- плотность 1500-2000 кг/м³,

- прочность на сжатие 2600-3000 кг/см²,

- твердость по Моосу 5,5,

- водопоглощение - до 0.

Для снижения себестоимости в состав шихты можно вводить в качестве заполнителя до 70% кварцевого песка фракции 0,6-1,25 мм или мелкого щебня. В данном случае было введено 60% указанного кварцевого песка.

Для придания изделиям декоративных свойств в состав шихты могут быть добавлены минеральные пигменты в количестве до 10% в зависимости от требуемой интенсивности окраски. В данном случае было введено 3% сурика.

Технология позволяет использовать в качестве заполнителя мелкозернистые, кварцевые, засоренные, барханные пески, которые в настоящее время мало используются в производстве строительных материалов. При введении около 70% барханного песка, например барханного кварцевого песка пустыни Прикаспийской низменности, получается конструкционный материал со следующими характеристиками:

- плотность - 1900-2300 кг/м³,

- прочность на сжатие - 560-720 кг/см²,

- водопоглощение - до 5%,

- твердость по Моосу - 5,5.

4. Получение композитных материалов - изделия и заготовки круглого, квадратного сечения, фасонные изделия, в том числе обладающие специальными свойствами - магнитные, электропроводные и др., которые могут подвергаться механической обработке на соответствующем обрабатывающем оборудовании.

Возможность получения композитных материалов основана на гораздо большей химической активности аморфного кремнезема по сравнению с его кристаллической формой в виде кварца. При нагревании кремнезем вступает в химические реакции с неметаллами SiO₂+3С=SiC+2СО и металлами 4Mg+SiO₂=Mg₂Si+2MgO.

Ниже приведен способ получения композитного материала на основе магнетитового порошка - рудного концентрата Лебединского месторождения Курской области.

Кремнистое сырье измельчается и термообрабатывается при температуре 400-450°С в течение 8 часов, после чего смешивается с водным раствором щелочи в соотношении 92 мас.% порошка кремнистой породы с 8 мас.% водного раствора щелочи в пересчете на сухие компоненты. В полученной смеси (шихте) используется вода в количестве, обеспечивающем смачивание порошка кремнистой породы и равномерность перемешивания компонентов, в данном случае 40 мас.% от массы сухих компонентов. При смешивании компонентов добавляется 60% порошка рудного концентрата и полученная масса укладывается в формы. После проведения реакции силикатообразования при комнатной температуре в течение 1 часа шихта высушивается, термообрабатывается при температуре 350°С в течение 6 часов до полного удаления физической и химической воды и обжигается при 1100°С в течение 4 часов.

В результате получен материал, который можно сверлить, фрезеровать, обтачивать, шлифовать и который может в ряде случаев заменить бронзу или чугун.

- плотность 4200 кг/м³,

- твердость по Моосу 6.

Реферат

Изобретение относится к области строительной индустрии, в частности к способу получения строительного материала из широко распространенного и доступного сырья. Техническим результатом является повышение эксплуатационных свойств получаемого материала и использование при его получении доступных ингредиентов. В способе получения строительного материала, включающем смешение кремнистой породы, щелочи и воды с получением гомогенной массы, ее выдержку для образования гидросиликатов и последующий обжиг, используют кремнистую породу состава, мас.%: SiO₂ 30-98, AL₂О₃ до 20, Fe₂O₃ до 8, СаО до 25, MgO до 8, осуществляют ее сушку, термообработку при 250-700°С в течение не менее 0,5 часа, измельчение до фракции менее 5 мм, затем смешение при следующем соотношении компонентов, мас.%: кремнеземсодержащий компонент 60-98, щелочь 2-40, вода 0-100 от массы сухих компонентов, указанную выдержку осуществляют при температуре от 0 до 150°С в течение не менее 0,2 часа, затем проводят сушку и термообработку при 250-700°С в течение не менее 0,5 часа. Изобретение развито в зависимых пунктах. 10 з.п. ф-лы.

Формула