Теплоизоляционные материалы и изделия (плотностью до 200 кг/ м 3) на основе гидросиликатов кальция

Одним из наиболее важных направлений в решении проблемы сокращения потребления энергии, в частности при эксплуатации зданий и сооружений, является создание новых эффективных теплоизоляционных материалов, в том числе изготовляемых на основе гидросиликатов кальция (ГСК), со средней плотностью 100—200 кг/м3, прочностью на изгиб больше 0,3 МПа и теплопроводностью 0,04—0,055 Вт/(м-К) ГМ- В производстве теплоизоляционных изделий на основе ГСК используют силикатные массы, основным компонентом которых служит тоберморит (5СаОX(>Si02-5ГКО) или ксонотлнт (бСаОХ X6Si02-Н2О), которые образуются в системе СаО—Si02—Н20 в гидротермальных условиях. Так как между отдельными кристаллами данных соединений имеются микропустоты, занятые воздухом (рис. 1), материал характеризуется хорошими теплоизоляционными свойствами.

В настоящее время известны три основных способа производства теплоизоляционных материалов на основе ГСК. Первый способ—при температуре ниже 100°С проводят синтез аморфных ГСК, из которых с помощью фильтр-пресса формуют изделия. Их запаривают при 175°—200°С, а после сушки получают готовую продукцию со средней плотностью около 200 кг/м3.

Согласно второму способу—гидротермальный синтез проводят при температурах насыщенного водяного пара 175— 220°С. Из полученной массы — тоберморита или ксонотлита — отформованные в фильтр-прессе изделия сушат. В этом случае выходит продукция со средней плотностью около 150 кг/м3.

Основными компонентами при исследовании служили чистые оксид кальция 1,СаОси =99,9%) и кремниевая кислота, а в качестве — гидроксид алюминия в форме и несвязанная минеральная вата.

Образцы готовили следующим образом. Известь и аморфный кремнезем, взятые в молярных соотношениях C/S=0,6;0,8; 0,9; 1 или 1,2, перемешивали в сухом состоянии. Смесь помещали во вращающийся (со скоростью 60 мин) автоклав типа АВ-0,6 и заливали водой до получения суспензии с В/Т=20. Гидротермальный синтез осуществлялся при температурах насыщенного пара 150; 175 или 200°С в течение 2; 4 и 6 ч. В продуктах в зависимости от параметров синтеза идентифицированы ГСК типа С—S—Н (1) и/или тоберморит, или ксонотлит.

Надо отметить, что новообразования связывают большое количество воды — удельный объем во влажном состоянии (т. е. отношение объема синтезированного продукта после отстаивании в течение 2-1 ч к общей массе исходных комионен тов) превышает при образовании тоберморита 15 см3/г, а при образовании ксонолита — 20 см-/г.

Из полученного гидросиликатного продукта в вакуум-пресс-форме при давлении 1,6 МПа с одновременным отсасыванием воды прессовали образцы размером 20X20X60 мм, которые помещали в автоклав для повторной автоклавной обработки в течение 2, 4 или 6 ч при 175°С (0.6 МПа).

Вследствие перекристаллизации и образования хорошо закристаллизованного тоберморита или ксонотлита, а также роста кристаллов образцы приобретают достаточную прочность. После автоклавной обработки и сушки при 120±5°С в течение 16 ч определяли их среднюю плотность, предел прочности при изгибе и сжатии, коэффициент линейной усадки, теплопроводность и фазовый состав.

Рентгенографический анализ проводили на диффрактометре ДРФ с СиКц-излучением, а кривые ДТА и ДСК снимали на термическом анализаторе скорости нагрева 10° С/мин. Теплопроводность образцов определяли по стандарту Японии ,1 ISA 1413, который предусматривает прямую зависимость между средней плотностью и теплопроводностью гпдросиликатных теплоизоляционных материалов [1].

В первой части работы исследовали свойства образцов, полученных из гидроплотность образцов снижается и достигает 175.8 кг/м-1 (рис. 2).

Во второй части работы исследовали свойства образцов, полученных на основе силикатных масс, синтезированных при температуре 200оС. Продолжительность которой автоклавной обработки при 175°С — 4 ч. Результаты приведены в табл. 2.

При изучении зависимости основных свойств образков от исходного С/S установлено, что оптимальный состав смеси, характеризуется C/S=1: средняя плотность— 117,9 кг/м3, предел прочности при сжатии — 0.57 МПа. при изгибе — 0.28 МПа, теплопроводность — 0,043 Вт/(мХ ХК). С изменением оптимального состава исходной смеси средняя плотность довольно резко увеличивается.

Рентгенографические и ДТА исследования показали, что при C/S = 0.6 образуется лишь С—S—Н(1), при C/S = 0,8— С—S—НИ и тоберморит, при C/S=0.9 тоберморнт и ксонотлит, при C/S = 1 — чистый ксонотлит, а при C/S—1,2 — смесь ксонотлита с С—S—Н(1).

При изучении влияния продолжительности первой гидротермальной обработки па свойства образцов установлено, что их средняя плотность резко снижается в первые 4 ч синтеза, т .е. до образования хорошо закристаллизованного ксонотлита и составляет 117,9 кг/м3. С увеличением продолжительности синтеза 6 ч она уже практически не меняется Прочность образцов также уменьшается со снижением плотности. После 4 ч синтеза прочность на сжатие и изгиб образцов составила 0,57 и 0.28 МПа. Этого достаточно, чтобы изделия не ломались во время транспоотировки и укладки. В случаях, когда образны поп небольшом давлении (0.3 МПа), их средняя плотность составила всего 80—95кг(м3 Такой материал может быть использован для насыпной изоляции, так как прочности при изгибе был равен 0.1 МПа.

Нужно отметить особо НИЗКУЮ теплопроводность образцов на основе ксонотлита— 0.043 Вт/м. Это объясняется тем. что истинная плотность консталлов составляет 2700 кгм3 а подученные образцы имели среднюю плотность около 120 кг/м3. Отсюда следует, что объем твердой фазы в изделиях составляет всего 4,44%, а остальные 95,56% их объема — воздух. Так как теплопроводность неподвижного воздуха равна 0,025 Вт/(м-К). то по мере уменьшения объема твердой фазы улучшаются теплоизоляционные свойства материалов.

Изделия на основе ксонотлита характеризуются высокой теплостойкостью. Ксонотлит при температуре около 80СГС переходит в волластонит. Так как ксонотлит относится к группе волластонита, то во время данного кристаллического превращения усадки незначительна и ПОЭТОМУ температура теплостойкости таких изделий около 1C1WTC. Линейная усадка образцов на основе ксонотлита со силикатного продукта и тем самым значительно уменьшить энергозатраты на получение тоберморитовых теплоизоляционных изделий. Образцы с наилучшими свойствами были получены при C/S = 1, продолжительности первой и второй гидротермальной обработок при 175°С в течение 4 ч и с введением ]% AHOHW.