Шлаки и теплоизоляционные материалы

15

Федеральное агентство по образованию

Шлаки и теплоизоляционные материалы

(Реферат по архитектурному материаловеденью)

СОДЕРЖАНИЕ

1. Тенденции использования топливных шлаков и зол в отечественном строительном производстве

2. Ячеистый бетон

3. Теплоизоляционные материалы

Использованная литература

1. ТЕНДЕНЦИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ ШЛАКОВ И ЗОЛ В ОТЕЧЕСТВЕННОМ СТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Золы и шлаки ТЭЦ при правильном и эффективном их использовании представляют собой огромное богатство и источник расширения сырьевых ресурсов различных отраслей промышленности, в первую очередь промышленности строительных материалов. В нашей стране выполнены большие научно-исследовательские работы и накоплен значительный опыт по использованию золошлаковых отходов электростанций.

Большой практический интерес представляет исследование возможностей массового использования золошлаковых смесей в качестве заполнителей в бетоны различного назначения. Это обусловлено как зерновым и химическим составом, так и физико-механическими характеристиками отходов ТЭЦ. Зерновой состав смеси соответствует рекомендуемым составам песков для бетонов, модуль крупности составляет 3,42, что позволяет отнести его по существующей классификации к крупным пескам. По химическому составу материал на 80 % состоит из кремнезема, глинозема и гематита. Результаты испытаний на прочность золошлаковых бетонов естественного твердения, подвергнутых тепловлажностной обработке, показывают, что расход цемента для получения требуемой прочности не превышает нормы.

Для изучения изменения прочности золошлакобетона во времени были проведены исследования бетонов на основе золошлаковых смесей с золоотвалов Беловской ГРЭС, Кемеровской ГРЭС, Новокемеровской ТЭЦ. Бетонная смесь готовилась в трех видах смесителей: турбулентном, гравитационном, принудительного перемешивания. Образцы-кубики 100x100x100 мм подвергались термообработке по режиму 3,5 + 8 + 2 ч. при температуре 90° С, а часть образцов твердело в нормальных условиях. Изменение прочности бетона во времени определяли по результатам испытания образцов в возрасте 1,7, 14, 28, 180 и 1340 сут. Анализ полученных данных показал, что прочность золошлакобетона в возрасте 180 сут. составляет 116 ...128 % от марочной, а через 1340 сут. -- 51 ... 68 % в зависимости от состава, условий приготовления и твердения. Таким образом, вопросы повышения долговечности материалов из отходов являются весьма актуальными.

В 1988--1989 гг. Кузбасским политехническим институтом проводились исследования, подтверждающие возможность применения смеси топливных и доменных шлаков для изготовления тяжелых цементных бетонов классов от В7,5 до В35. Эти бетоны обладают физико-механическими и деформативными характеристиками, не уступающими, а иногда и превышающими соответствующие показатели бетонов на природных материалах. Морозостойкость бетона на шлаковом заполнителе составляет F 100 ... F 400, водонепроницаемость W4...W12, предел прочности при сжатии после пропаривания 16...50 МПа. Шлаковый бетон коррозиестоек в условиях сульфатной агрессии и действия жидкой среды жизнедеятельности животных. Технология изготовления бетона на заполнителе из смеси доменного и топливного шлаков легко вписывается в технологические схемы действующих предприятий строительной индустрии.

Растущий дефицит в строительстве вяжущих веществ, в частности портландцемента, заставил ученых и практиков искать пути снижения его расхода в растворах и бетонах без ухудшения их свойств. Эффективные смешанные вяжущие с использованием местных материальных ресурсов были разработаны в Казанском инженерно-строительном институте. Вяжущие получали путем повторного помола рядовых портландцементов с грубодисперсными минеральными порошками природного и искусственного происхождения, такими, как речной песок, доломитовая и известняковая мука, формовочная смесь, зола ТЭЦ. Механо-химическая активация поверхности цемента и минеральной добавки позволяет повысить прочность портландцемента на 20...24 %. Эффект увеличения прочности может быть усилен введением суперпластификаторов. Цементно-песчаные растворы и мелкозернистые бетоны, полученные на смешанных вяжущих, дали хорошие результаты.

Зола электрофильтров и золошлаковые смеси из отвалов -- эффективный компонент сырьевой смеси при производстве портландцементного клинкера для замены глинистого и карбонатного компонентов или как корректирующая добавка.

Известен метод Л. Триефе для получения вяжущего из расплава известняка и золы, резко охлаждаемого водой, который затем подвергается помолу и сушке. Этот метод позволяет уменьшить количество известняка до одной трети, отказаться от глины и известняка при получении цемента.

Одним из главных утилизаторов топливных зол и шлаков являются строители дорог. Наблюдения за опытными участками дорог, построенными в разное время в нашей стране и за рубежом, подтверждают возможность использования золы во всех слоях оснований дорожных одежд для любой транспортной нагрузки. Дорожные одежды с использованием зол и шлаков имеют достаточную прочность, морозостойкость, долговечность. Стабилизированные с помощью цемента и золы, материалы продолжают увеличивать свою прочность с течением времени, а наиболее интенсивное нарастание прочности наблюдается в возрасте 90--120 суток.

На протяжении последних 10 лет изготовлено свыше 100 тыс. м³ дорожных плит, дорожного и газонного бордюра, тротуарной плитки, колец и других изделий на золе сухого удаления и гранулированного шлака, полученных от сжигания каменных углей Львовско-Волынского бассейна. Золошлаковые смеси применялись в качестве активных минеральных добавок, микронаполнителей, заполнителей. Изделия для дорожного строительства изготавливались из бетонов классов В15 ... В35. При этом расход золы на 1 м³ бетона составил 50...100 кг, шлака -- 200 ... 400 кг. Наилучшие результаты получены при замене 40 % мелкозернистого песка гранулированным шпаком.

Многочисленные исследования, проведенные в последнее время, говорят о том, что введение в состав бетонов золошлаков кислого состава повышает их стойкость в агрессивных средах.

Большой экономический эффект дает применение топливных золошлаков в качестве вяжущего для стабилизации грунтов.

Необходимо отметить более высокую жесткость бетонных смесей на золошлаке по сравнению с бетонными смесями на традиционных заполнителях, что объясняется высокой адсорбцией золошлаковых смесей, способствующей снижению водоцементного отношения, а следовательно, и удобоукладываемости. Прочность золошлаковых бетонов выше, чем у бетонов на традиционных заполнителях. Это связано со многими причинами: во-первых, снижение водоцементного отношения ведет к повышению плотности, а следовательно, и прочности бетона; во-вторых, сказывается эффект "мелкозернистых порошков"; в-третьих, высокая прочность в поздние сроки твердения объясняется эффектом пуццоланизации, характерным для топливных отходов. По результатам исследований построено несколько участков дорог, устроено основание из укатываемого бетона на золошлаковых смесях.

Таким образом, диапазон применения золошлаковых смесей гидроудаления и зол-уноса ТЭЦ весьма обширен. Результаты научных исследований, опытные работы позволяют сделать вывод о замене некоторых традиционных материалов на отходы промышленности. При этом свойства материалов с использованием зопошлаков не только не уступают традиционным, но в некоторых случаях и превосходят их. Надо сказать, что несмотря на большой объем научных разработок в области использования отходов, в нашей стране отходы используются еще очень cлa6o.

2. ЯЧЕИСТЫЙ БЕТОН

Ячеистые бетоны на 60...85% по объему состоят из замкнутых пор (ячеек) размером 0,2...2 мм. Ячеистые бетоны получают при затвердевании насыщенной газовыми пузырьками смеси вяжущего, кремнезимистого компонента и воды. Благодаря высокопористой структуре средняя плотность ячеистого бетона невелика -- 300...1200 кг/м³; он имеет низкую теплопроводность при достаточной прочности. Бетоны с желаемыми характеристиками (плотностью, прочностью и теплопроводностью) сравнительно легко можно получать, регулируя их пористость в процессе изготовления.

Состав и технология ячеистых бетонов. Вяжущим в ячеистых бетонах может служит портландцемент (или известь) с кремнеземистым компонентом. При применении известково-кремнезёмистых вяжущих получаемые бетоны называют газо- и пеносиликаты.

Кремнеземистый компонент -- молотый кварцевый лесок, гранулированные доменные шлаки, зола ТЭС и др. Кремнеземистый компонент снижает расход вяжущего и уменьшает усадку бетона. Применение побочных продуктов промышленности (шлаков и зол) для этих целей экономически выгодно и экологически целесообразно.

Соотношение между кремнеземистым компонентом и вяжущим устанавливается опытным путем.

Для получения ячеистых бетонов используют как естественное твердение вяжущего, так и активизацию твердения с помощью пропаривания (t = 85...90°С) и автоклавной обработки (t = 175° С). Лучшее качество, имеют бетоны, прошедшие автоклавную обработку. В случае применения извести в составе вяжущего автоклавная обработка обязательна.

По способу образования пористой структуры (методу вспучивания вяжущего) различают: газобетоны и газосиликаты; пенобетоны и пеносиликаты.

Газобетон и газосиликат получают, вспучивая тесто вяжущего газом, выделяющимся при химической реакции между веществом-газообразователем и вяжущим. Чаще всего газообразователем служит алюминиевая пудра, которая, реагируя с гидратом оксида кальция, выделяет водород

ЗСа(ОН)₂ + 2Аl + 6Н₂О ЗСаО * Аl₂О₃ - 6Н₂О + H₂

Согласно уравнению химической реакции, 1 кг алюминиевой выделит до 1,25 м³ водорода, т. е. для получения 1 м³ газобетона требуется 0,5...0,7 кг пудры.

Пенобетоны и пеносиликаты получают, смешивая тесто вяжущего с заранее приготовленной устойчивой технической пеной. Для образования пены используют пенообразователи, получаемые как модификацией побочных продуктов других производств (гидролизованная кровь, клееканифольный пенообразователь), так и синтезируемые специально (сульфанол и т. п.).

Свойства ячеистых бетонов определяются их пористостью, видом вяжущего и условиями твердения.

Как уже говорилось, пористость ячеистых бетонов -- 60...85%. Характер пор -- замкнутый, но стенки пор состоят из затвердевшего цементного камня, который, как известно, пронизан порами, в том числе и капиллярными. Для движения воздуха поры в ячеистом бетоне замкнуты, а для проникновения воды -- открыты. Поэтому водопоглощение ячеистого бетона довольно высокое и морозостойкость соответственно пониженная по сравнению с бетонами слитной структуры.

Гидрофильность цементного камня и большая пористость обусловливают высокую сорбционную влажность. Это сказывается на теплоизоляционных показателях ячеистого бетона. Поэтому при использовании ячеистого бетона в ограждающих конструкциях его наружную поверхность необходимо защищать от контакта с водой или гидрофобизировать.

Прочность ячеистых бетонов зависит от их средней плотности и находится в пределах 1,5...15 МПа. Модуль упругости ячеистых бетонов ниже, чем у обычных бетонов, т. е. они более деформативны. Кроме того, у ячеистого бетона повышенная ползучесть.

Ячеистые бетоны и изделия из них обладают хорошими звукоизоляционными свойствами, они огнестойки и легко поддаются механической обработке (пилятся и сверлятся).

Наиболее рациональная область применения ячеистых бетонов -- ограждающие конструкции (стены) жилых и промышленных зданий: несущие -- для малоэтажных зданий и ненесущие -- для многоэтажных, имеющих несущий каркас.

3. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Номенклатура теплоизоляционных материалов очень широка. Но около 90% от общего объема применения в строительстве составляют два вида изделий: из искусственных минеральных волокон (около 70%) и ячеистых пластмасс - пенопластов (около 20%). Это объясняется простотой технологии их производства (это касается пенопластов), огромной сырьевой базой (это касается минеральных волокон) и высокими эксплуатационными свойствами.

Неорганические материалы изготавливаются на основе минерального сырья (горных пород, шлаков, стекла, вяжущих веществ, асбеста и т.п.). К этим материалам относятся изделия из минеральной ваты, пеностекло, ячеистые бетоны, асбестосодержащие засыпки и мастичные составы, а также пористые заполнители, используемые как теплоизоляционные засыпки (керамзит, перлит, вермикулит и др.). Неорганические теплоизоляционные материалы теплостойки, негорючи, не подвержены зашиванию. Как уже говорилось, наибольшее применение находят изделия на основе минеральной ваты.

Минераловатные изделия получают на основе коротких и очень тонких минеральных волокон (минеральной ваты), скрепляемых в изделия с помощью связующего или другими способами.

Минеральную вату вырабатывают из силикатных расплавов, сырьем для которых служат металлургические шлаки, осадочные (мергели, каолины и др.) и изверженные (базальт и др.) горные породы, отходы стекла и другие силикатные материалы. Название минеральная вата получает по виду сырья: например, шлаковая, базальтовая или стекловата. Вид сырья определяет, в частности, температуростойкость ваты (у базальтовой ваты -- до 1000° С, а у стекловаты 550...650° С), тонкость и упругость волокна и другие свойства.

Силикатный расплав раздувом или разбрызгиванием центрифугой превращают в тончайшие стекловидные волокна диаметром 1...10 мкм и длиной в несколько сантиметров. Волокно собирается в камере волокноосаждения на непрерывно движущейся сетке. Сюда же подается связующее вещество для получения из рыхлого минерального волокна ковра и дальнейшего формования изделий (в исходном виде минеральная вата в настоящее время не применяется).

Минераловатные изделия применяют для тепловой изоляции в широком диапазоне температур: -- 200... + 600° С; изделия на основе специальных минеральных волокон (например, базальтовых) выдерживают до 1000° С. Они слабо адсорбируют влагу, не поражаются грызунами.

Производят следующие виды минераловатных изделий: мягкие плиты (минеральный войлок) и прошивные маты, полутвердые и твердые плиты и скорлупы (рис. 1).

Рис.1. Теплоизоляционные изделия из минеральной ваты:

а -- минеральный войлок; б -- полужесткие плиты; в -- полуцилиндры; г -- прошивной мат

Мягкие маты и плиты (минеральный войлок) получают как с помощью прошивки минерале ватного ковра, сдублированного с фольгой или металлической сеткой, так и с помощью минерального связующего путем его легкой подпрессовки. Такие маты выпускают в виде рулонов. Плотность 30...100 кг/м³; теплопроводность 0,033...0,035 Вт/(м•К).

Полужесткие и жесткие плиты и фасонные изделия получают с использованием полимерных связующих (размер плит обычно 6001200 мм при толщине от 50 до 120 мм). Для получения большой жесткости плиты без увеличения ее плотности применяют технологию с частичной вертикальной ориентацией волокон. Плотность плит 50...150 кг/м³; теплопроводность 0,04...0,06 Вт/(м•К). Подобные плиты используют для устройства теплоизоляции стен и кровельных покрытий. Плиты легко режутся и укрепляются на стенах клеющими мастиками. Скорлупы и сегменты используют для изоляции трубопроводов.

Пеностекло (ячеистое стекло) -- материал, получаемый термической обработкой порошкообразного стекла (обычно для этого используется стеклобой), смешанного с порошком газообразователя (мел, известняк, кокс). В момент перехода стекла в пластично-вязкое состояние газообразователь выделяет газ (в данном случае СО₂), который вспучивает стекломассу.

Пеностекло имеет как бы двойную пористость: стенки крупных пор (диаметром 0,5..,2 мм) содержат микропоры (рис. 2.). При этом все поры замкнутые. Такое строение пеностекла объясняет его низкую теплопроводность при достаточно высокой прочности и практически нулевое водопоглощение и паронепроницаемость. Теплопроводность пеностекла при плотности 200...300 кг/м³ составляет 0,06...0,12 Вт/(м•К), а прочность на сжатие -- 3...6 МПа.

Рис. 2. Структура пеностекла:

1- поры; 2 - стеклянные прослойки

Ячеистое стекло легко обрабатывается (пилится, сверлится), хорошо сцепляется с цементными материалами. Пеностекло применяют для изоляции металлоконструкций, при бесканальной прокладке трубопроводов и благодаря паронепроницаемости и минимальному водопоглощению (>1%) для теплоизоляции стен, потолков промышленных холодильников.

Теплоизоляционные бетоны -- бетоны плотностью не более 500 кг/м³ по структуре могут быть трех видов:

§ слитного строения на пористых заполнителях (например, керамзитовом гравии и перлитовом песке) и цементном или полимерном? вяжущем;

§ крупнопористые (беспесчаные) на однофракционном керамзитовом гравии и цементном или полимерном связующем;

§ ячеистые.

Крупнопористые бетоны используют в виде плит, заменяющих засыпную теплоизоляцию.

Ячеистые бетоны -- наиболее перспективный вид теплоизоляционных бетонов, отличающиеся сравнительно простой технологией получения. Их широкому распространению препятствует высокое водопоглощение и гигроскопичность. Сухой ячеистый бетон при плотности 300...500 кг/м³ имеет теплопроводность 0,07...0,1 Вт/(м•К); при влажности 8% теплопроводность возрастает до 0,15...0,18 Вт/(м•К). Применяют ячеистые бетоны в виде камней правильной формы, заменяющих 8...16 кирпичей.

Монтажная теплоизоляция -- специальная группа неорганических теплоизоляционных материалов (засыпки и мастики) и готовых изделий (листы, плиты, скорлупы), используемых для изоляции трубопроводов и агрегатов с высокими температурами поверхности. К таким материалам относятся асбестосодержащие материалы (чисто асбестовые и смешанные), теплоизоляционная керамика и др. использование асбеста в монтажной теплоизоляции основывается на его огнестойкости и низкой теплопроводности, а в мастичных материалах он выполняет также армирующие функции. Последнее объясняется волокнистым строением асбеста.

Асбестовый картон и бумагу изготовляют из асбеста 4--5 сортов с использованием органических клеев (крахмала, казеина). Асбестовая бумага толщиной 0,3...1,5 мм и плотностью 450...900 кг/м³ имеет X -- =0,15...0,25 Вт/(м * К). Ее используют для изоляции поверхностей, работающих при температурах до 500° С.

Асбестовый картон более толстый, чем бумага (2...10 мм). Его применяют для предохранения деревянных и других конструкций из легкогорючих материалов для защиты от возгорания. У асбеста для этого есть два необходимых свойства: огнестойкость и низкая теплопроводность.

Асбестосодержащие смешанные материалы представляют собой порошки из асбеста с различными добавками (слюды, диатомит, минеральные вяжущие и т. п.). При затворении водой эти смеси превращаются в пластичное тесто, способное при высыхании затвердевать. Из него получают покрытия на изолируемых поверхностях или производят изделия -- полуфабрикаты (плиты, скорлупы).

Изоляция подобного типа выдерживает температуры до 900° С; при этом теплопроводность таких материалов составляет ОД...0,2 Вт/(м•К). Имея открытую пористость и высокое водопоглощение, асбестосодержащие материалы требуют защиты от увлажнения; тем более, что большинство из них не водостойки.

Наиболее известны среди таких материалов вулканит и совелит. Вулканит получают из смеси диатомита (60 %), асбеста (20%) и извести (20 %). Плотность вулканитовых изделий не более 400 кг/м³; теплопроводность < 0,1 Вт/(м•К). Совелит получают из смеси асбеста с основным карбонатом кальция и магния, получаемого из доломита; используют его при температурах до 500° С.

Приготовление и нанесение асбестосодержащих теплоизоляционных материалов, сопряженное с выделением асбестовой пыли, должно вестись с соблюдением требований Санитарных правил и норм.

Для высокотемпературной теплоизоляции (1000° С и более) применяют пенокерамические материалы и легковесные огнеупоры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баженов Ю.М., Технология бетона. - М.: Стройиздат, 1978.

2. Горлов Ю.П., Технология теплоизоляционных материалов. - М.: Стройиздат, 1989.

3. Попов К.Н., Каддо М.Д., Строительные материалы и изделия. - М.: Высшая школа, 2002.

4. Юдина Л.В., Юдин А.В., Металлургические и топливные шлаки в строительстве. - Ижевск: Удмуртия, 1995.