PL230095B1

PL230095B1 - Sposób wytwarzania materiału budowlanego o właściwościach termoizolacyjnych

Info

Publication number: PL230095B1
Application number: PL406993A
Authority: PL
Inventors: Zdzisław Pytel; Waldemar Pichór
Original assignee: Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2018-09-28
Also published as: PL406993A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania materiału budowlanego o właściwościach termoizolacyjnych, zwłaszcza w postaci cegieł, płyt lub bloków drążonych przeznaczonych do wykonywania ścian w budynkach mieszkaniowych.

Popularne materiały budowlane produkowane od wielu lat na masową skalę, to między innymi materiały wapienno-piaskowe. Zwykle wytwarza się je w formie cegieł i bloków drążonych oraz płyt, które ze względu na bardzo dobre parametry wytrzymałościowe są stosowane jako elementy konstrukcyjne obiektów budowlanych. Do produkcji wyrobów wapienno-piaskowych wykorzystywane są łatwo dostępne surowce, a sposób produkcji jest mało skomplikowany i stosunkowo tani.

Podstawowa mieszanka surowcowa zawiera odpowiednie proporcje ilościowe piasku kwarcowego stanowiącego kruszywo i wapna palonego jako spoiwa, przy czym składniki te muszą spełniać odpowiednie kryteria jakościowe odnośnie składu chemicznego i ziarnowego. Przygotowaną masę kieruje się do reaktorów gdzie następuje proces gaszenia wapna, polegający na całkowitej hydratacji zawartych w wapnie palonym wolnych tlenków CaO i MgO do postaci wodorotlenków, a następnie prasuje pod ciśnieniem około 20 MPa. Uformowane wyroby poddawane są obróbce hydrotermalnej w autoklawach w atmosferze nasyconej pary wodnej w temperaturze 180°C pod ciśnieniem około 1-1,2 MPa przez około 8 godzin. W warunkach hydrotermalnych panujących wewnątrz autoklawu, surowce wyjściowe reagują ze sobą tworząc produkty zaliczane do grupy uwodnionych krzemianów wapnia, które wykazują właściwości wiążące i dzięki temu łączą ze sobą sprasowane ziarna piasku kwarcowego. W wyniku procesu uzyskuje się trwałe materiały o dużej wytrzymałości mechanicznej oraz odporności na działanie mrozu i innych czynników atmosferycznych, których wytrzymałość na ściskanie (zgodnie z normą PN-EN 771-2:2006) zawiera się w przedziale 5-75 MPa.

Od materiałów wapienno-piaskowych oczekuje się, że będą spełniać równocześnie szereg trudnych nieraz do pogodzenia wymagań takich jak duża wytrzymałość, odporność na czynniki atmosferyczne, możliwie najniższe przewodnictwo cieplne, możliwość produkcji w postaci bloków i płyt o dowolnych rozmiarach i kształtach. Spełnienie niektórych kombinacji tych wymagań możliwe jest poprzez modyfikację składu surowcowego podstawowej mieszanki produkcyjnej, do której zwykle wprowadza się dodatki lub stosuje alternatywne składniki o zbliżonym składzie chemicznym.

Znany jest ze zgłoszenia PL 289444 A1 sposób wytwarzania kształtek wapienno-piaskowych, który charakteryzuje się tym, że ułamek wagowy surowców w postaci wapna palonego i piasku w ilości do 30%, w których udział wagowy wapna palonego wynosi 0-7% wagowo w stosunku do wyrobu poddaje się mieleniu na mokro do uzyskania powierzchni właściwej 3000-4000 cm², a następnie po zmieszaniu zmielonych składników z resztą mieszaniny piasku i wapna palonego z reaktora, w której udział wagowy wapna wynosi 0-9% wagowo w stosunku do wyrobu, surowiec poddaje się formowaniu i wygrzewaniu pod ciśnieniem w autoklawach znanymi metodami lub tym, że ułamek wagowy surowców wapna palonego i piasku w ilości do 30%, w którym udział wagowy wapna palonego wynosi do 9% wagowo w stosunku do wyrobu poddaje się mieleniu na sucho do uzyskania powierzchni właściwej 3000-4000 cm², a następnie łączy się z pozostałą częścią surowca w mieszadle, nawilża się surowce i poddaje się aktywacji w reaktorze, surowiec poddaje się formowaniu i wygrzewaniu pod ciśnieniem w autoklawach znanymi metodami. Do części surowców poddawanej mieleniu można dodawać substancje barwiące w ilości do 5% wagowo całego surowca.

W opisie patentowym PL 185500 B1 ujawniono autoklawizowany materiał budowlany wytworzony z masy składającej się z piasku kwarcowego i wapna palonego, zawierającej domieszkę mineralną w postaci metakaolinitu w ilości 1-10% wagowych, która wpływa na zmniejszenie porowatości materiału, a tym samym zwiększenie jego wytrzymałości.

Wynalazek ujawniony w opisie patentowym PL 198350 B1 rozwiązuje problem poprawy cech wytrzymałościowych wyrobów wapienno-piaskowych. Masa obok podstawowych surowców: piasku kwarcowego w ilości 45-90% oraz wapna palonego w ilości 6-9% zawiera dodatek mineralny w postaci mielonego wapienia w ilości 7,0-23% wagowych i/lub mielonego chalcedonitu w ilości 4,0 do 46,0% wagowych.

Znana jest z opisu patentowego PL 174628 B1 zmodyfikowana mieszanka surowcowa na wyroby wapienno-piaskowe, w której zastąpiono wapno palone odpowiednio przygotowanym spoiwem. Spoiwo otrzymano w wyniku mielenia „na sucho” różnych frakcji ziarnowych wapiennych popiołów lotnych z węgla brunatnego w czasie zapewniającym uzyskanie powierzchni właściwej 3000-3500 cm²/g (wg BlaPL 230 095 B1 ine'a) i następnie po nawilżeniu wodą, poddaniu wstępnej hydratacji w autoklawie w atmosferze nasyconej pary wodnej w temperaturze 110-150°C i ciśnieniu 0,1-0,5 MPa. Równocześnie wykorzystuje się uciążliwy dla środowiska odpad.

Ze zgłoszenia PL 389371 A1 znany jest sposób przetwarzania zużytych mas odlewniczych i wykorzystania ich jako częściowego substytutu piasku kwarcowego pochodzenia naturalnego w mieszaninach surowcowych przeznaczonych do wytwarzania autoklawizowanych materiałów budowlanych formowanych metodą prasowania. Uzyskany surowiec wtórny wprowadza się do mas przeznaczonych na silikatowe materiały budowlane w ilościach 20-80% wagowych, uzyskując pełnowartościowe wyroby wapienno-piaskowe.

Ze zgłoszenia PL 388779 A1 znane są wyroby wapienno-piaskowo-popiołowe sporządzone z mieszaniny surowcowej składającej się z piasku kwarcowego w ilości 61,5-20,5 wagowych, wapna palonego w ilości 5,5-8,0% wagowych oraz z dodatku mineralnego w postaci mielonych popiołów dennych w ilości 20,5-61,5% wagowych, stanowiących odpad powstający przy spalaniu paliw stałych, korzystnie z węgla kamiennego w kotłach fluidalnych. Wyroby wykazują wytrzymałość na ściskanie co najmniej o 45% wyższą w stosunku do wyrobów tradycyjnych.

Wynalazek ujawniony w zgłoszeniu PL 312161 A1 dotyczy sposobu produkcji wyrobów wapienno-piaskowych o różnej barwie, wytwarzanych zwłaszcza w postaci płyt okładzinowych elewacyjnych. Do mieszaniny piasku kwarcowego z wapnem palonym dodaje się odporny na działanie światła i alkaliów barwiący pigment w ilości od 0,2% do 15,0% wagowych w stosunku do masy składników suchych. Komponenty miesza się do uzyskania mieszaniny o jednolitym zabarwieniu, a następnie w znany sposób gasi się, formuje kształtki pod ciśnieniem i autoklawizuje.

Ważnym parametrem materiałów budowlanych przeznaczonych do wykonywania ścian zewnętrznych w budynkach mieszkalnych jest ich izolacyjność cieplna. W przypadku wyrobów wapiennopiaskowych jest ona niska. Ze względu na dużą zawartość krzemionki występującej w postaci krystalicznego kwarcu wykazującego bardzo dobrą przewodność cieplną oraz niskiej porowatości tego typu materiałów budowlanych wynikającej z dużego stopnia zagęszczenia mieszanki surowcowej podczas jej prasowania, materiały te charakteryzuje relatywnie wysoka wartość współczynnika przewodzenia ciepła rzędu 0,8-1,0 W/m-K. Z tego względu nie zapewniają one odpowiedniej termoizolacyjności ścian zewnętrznych i nie można ich wykorzystać np. do wykonywania jednowarstwowych ścian w obiektach budowlanych, lecz wymagane jest zastosowanie dodatkowej warstwy izolacyjnej.

Celem niniejszego rozwiązania jest sposób wytworzenia materiału budowlanego typu tworzywa wapienno-piaskowego o dobrej wytrzymałości, a jednocześnie wykazującego właściwości termoizolacyjne.

Sposób wytwarzania materiału budowlanego o właściwościach termoizolacyjnych według wynalazku, polega na przygotowaniu mieszaniny surowcowej w postaci wypełniacza mineralnego zawierającego krzemionkę w ilości powyżej 50% wagowych oraz spoiwa mineralnego nie wykazującego właściwości hydraulicznych. Składniki homogenizuje się dwuetapowo: najpierw na sucho, a następnie z dodatkiem wody, po czym z uzyskanej masy produkcyjnej formuje się kształtki metodą prasowania pod ciśnieniem 5-10 MPa, a następnie poddaje je obróbce hydrotermalnej w autoklawie, w temperaturze 180-200°C przez 6-8 godzin.

Istota rozwiązania polega na tym, że jako wypełniacz mineralny stosuje się 50-75% wagowych odpadowego pyłu perlitowego o uziarnieniu poniżej 200 pm i zawartości krzemionki powyżej 70% wagowych, a jako spoiwo mineralne stosuje się wapno hydratyzowane w ilości 4-9% wagowych. Składniki homogenizuje się na sucho przy użyciu mechanicznych mieszadeł wstęgowych lub obrotowo-wibracyjnych pracujących w układzie zamkniętym lub metodami pneumatycznymi przez 5-10 minut, po czym dodaje się wodę w ilości 20-45% wagowych i dalej miesza przy użyciu mechanicznych mieszadeł wstęgowych lub obrotowo-wibracyjnych pracujących w układzie zamkniętym przez kolejne 5-10 minut, aż do uzyskania jednorodnej masy produkcyjnej o wilgotności 4-6% wagowych, którą następnie poddaje się znanym zabiegom.

Niniejszy wynalazek pozwala wytworzyć materiał budowlany w sposób zasadniczo zgodny z technologią produkcji autoklawizowanych materiałów budowlanych w rodzaju wyrobów wapienno-piaskowych, wykazującego dobre właściwości wytrzymałościowe, ale jednocześnie charakteryzującego się niskim przewodnictwem cieplnym. Efekt ten uzyskuje się na drodze modyfikacji mikrostruktury tradycyjnych wyrobów wapienno-piaskowych, poprzez całkowitą substytucję piasku kwarcowego pochodzenia naturalnego materiałem odznaczającym się wysoką porowatością wewnętrzną, jakim jest pył perlitowy.

PL 230 095 B1

Uzyskany materiał budowlany charakteryzuje się więc należytą wytrzymałością pozwalającą na wytworzenie z niego cegieł, płyt lub bloków, przeznaczonych do wykonywania ścian w budynkach mieszkalnych, które ze względu na dobre właściwości termoizolacyjne mogą być stosowane do wznoszenia ścian w postaci jednej warstwy, bez konieczności dodatkowego ocieplania obiektów, co obniża koszty budowy i eksploatacji obiektu.

Jak wiadomo z praktyki przemysłowej, podczas produkcji handlowego perlitu ekspandowanego, obok właściwej frakcji o ściśle określonych klasach ziarnowych zawsze powstaje odpad w postaci pyłu perlitowego, w ilości sięgającej nawet do 50% wagowych materiału wsadowego. Ze względu na wysoką skłonność do pylenia przy dozowaniu i niekorzystny wpływ dodatku pyłu perlitowego na cechy reologiczne produkowanych wyrobów, najczęściej nie jest on wykorzystywany w przemyśle. Zwykle pył perlitowy jest oddzielany od właściwej frakcji perlitu, a następnie składowany, co wpływa na zanieczyszczenie środowiska naturalnego. Zaletą sposobu według wynalazku jest więc również fakt, że umożliwia on zagospodarowanie uciążliwych dla środowiska odpadów, które najczęściej bezużytecznie zalegają na składowiskach.

Ponieważ pył perlitowy charakteryzuje się niezwykle niską gęstością objętościową w granicach 150-180 kg/m³, bardzo trudno byłoby prowadzić jego homogenizację z wapnem palonym z wykorzystaniem popularnie stosowanych mechanicznych mieszadeł obrotowych (wrzecionowych). Z tego względu w sposobie według wynalazku użyto zamiast wapna palonego wapno hydratyzowane, a suche składniki mieszano w mieszadłach mechanicznych wstęgowych lub obrotowo-wibracyjnych pracujących w układach zamkniętych lub metodami pneumatycznymi.

Pełne zrozumienie wynalazku umożliwi poznanie opisów przykładowych procesów technologicznych, określonych w poniższych przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1

Przygotowano mieszaninę surowcową zawierającą:

51,9% wagowych wypełniacza mineralnego w postaci odpadowego pyłu perlitowego o uziarnieniu poniżej 200 pm i następującym składzie chemicznym w % wagowych: 75,39 SiO2; 13,36 AhO3; 1,21 Fe2O3; 0,11 MgO; 0,97 CaO; 4,61 Na2O; 4,11 K2O; 0,07 T1O2; 0,02 P2O5; 0,03 MnO; reszta 0,12;

4,5% wagowych spoiwa mineralnego w postaci wapna hydratyzowanego (suchogaszonego) otrzymywanego w warunkach przemysłowych;

43,6% wagowych wody destylowanej.

Składniki homogenizowano na sucho przy użyciu mieszadeł wstęgowych pracujących w układzie zamkniętym przez 7 minut, po czym dodano wodę i dalej mieszano przez kolejne 7 minut, aż do uzyskania masy produkcyjnej o wilgotności 5% wagowych.

Z uzyskanej masy produkcyjnej uformowano dwa rodzaje próbek w postaci walców:

- do badania podstawowych cech użytkowych: walce o średnicy i wysokości 25 mm;

- do badania współczynnika przewodzenia ciepła: walce o średnicy 10 mm i wysokości 80 mm.

Kształtki formowano metodą osiowego, dwustronnego i dwustopniowego prasowania z międzystopniowym odpowietrzaniem, przy ciśnieniu dla pierwszego stopnia prasowania 5 MPa, a drugiego 10 MPa. Następnie poddano je obróbce hydrotermalnej w autoklawie, w temperaturze 180°C, pod ciśnieniem nasyconej pary wodnej 1,002 MPa, w czasie 8 godzin.

Jednocześnie, aby ocenić wpływ substytucji piasku kwarcowego odpadowym pyłem perlitowym na właściwości użytkowe i cieplne uzyskanych materiałów przygotowano kształtki tworzywa referencyjnego z mieszaniny surowcowej o tradycyjnym składzie zawierającej:

83,9% wagowych piasku kwarcowego pochodzenia naturalnego o gęstości objętościowej 1760 kg/m³;

7,7% wagowych spoiwa mineralnego w postaci wapna palonego otrzymywanego w warunkach przemysłowych, charakteryzującego się czasem gaszenia 11,6 minut, przy temperaturze gaszenia 72°C;

8,4% wagowych wody destylowanej.

Wyniki badań podstawowych cechy użytkowych i współczynnika przewodzenia ciepła materiałów wytworzonych sposobem według wynalazku oraz materiału referencyjnego przedstawiono w poniższej tabeli.

PL 230 095 B1

T a b e l a

Badana wielkość	Materiał według wynalazku	Materiał referencyjny
Gęstość objętościowa, kg/m³	0,608	1,784
Wytrzymałość na ściskanie, MPa	5,9	32,4
Porowatość otwarta, %	68,0	25,3
Współczynnik przewodzenia ciepła, W/m-K	0,122	0,900

P r z y k ł a d 2

Przygotowano mieszaninę surowcową zawierającą:

63,1% wagowych wypełniacza mineralnego w postaci odpadowego pyłu perlitowego o uziarnieniu poniżej 200 pm i następującym składzie chemicznym w % wagowych: 73,63 SiO2; 13,73 AI2O3; 2,36 Fe2O3; 0,31 MgO; 1,17 CaO; 3,27 Na2O; 5,12 K2O; 0,19 TiO2; 0,04 P2O5; 0,06 MnO; reszta 0,12;

5,3% wagowych spoiwa mineralnego w postaci wapna hydratyzowanego (suchogaszonego) otrzymywanego w warunkach przemysłowych;

31,6% wagowych wody destylowanej.

Dalej postępowano jak w przykładzie 1.

T a b e l a

Badana wielkość	Materiał według wynalazku	Materiał referencyjny
Gęstość objętościowa, kg/m³	0,636	1,784
Wytrzymałość na ściskanie, MPa	8,0	32,4
Porowatość otwarta, %	56,8	25,3
Współczynnik przewodzenia ciepła, W/m-K	0,111	0,900

P r z y k ł a d 3

Przygotowano mieszaninę surowcową zawierającą:

72,4% wagowych wypełniacza mineralnego w postaci odpadowego pyłu perlitowego o uziarnieniu poniżej 200 pm i następującym składzie chemicznym w % wagowych: 70,93 SiO₂; 12,24 AI2O3; 3,81 Fe₂Os; 0,32 MgO; 2,31 CaO; 2,27 Na₂O; 7,08 K2O; 0,45 TiO₂; 0,07 P2O5; 0,09 MnO; reszta 0,43;

5,8% wagowych spoiwa mineralnego w postaci wapna hydratyzowanego (suchogaszonego) otrzymywanego w warunkach przemysłowych;

21,8% wagowych wody destylowanej.

Dalej postępowano jak w przykładzie 1.

T a b e l a

Badana wielkość	Materiał według wynalazku	Materiał referencyjny
Gęstość objętościowa, kg/m³	0,692	1,784
Wytrzymałość na ściskanie, MPa	8,4	32,4
Porowatość otwarta, %	49,2	25,3
Współczynnik przewodzenia ciepła, W/m-K	0,122	0,900

Claims

1. Sposób wytwarzania materiału budowlanego o właściwościach termoizolacyjnych, polegający na przygotowaniu mieszaniny surowcowej w postaci wypełniacza mineralnego zawierającego krzemionkę w ilości powyżej 50% wagowych oraz spoiwa mineralnego nie wykazującego właściwości hydraulicznych, które homogenizuje się dwuetapowo: najpierw na sucho, a następnie z dodatkiem wody, po czym z uzyskanej masy produkcyjnej formuje się kształtki metodą prasowania pod ciśnieniem 5-10 MPa, a następnie poddaje je obróbce hydrotermalnej w autoklawie, w temperaturze 180-200°C przez 6-8 godzin, znamienny tym, że jako wypełniacz mineralny stosuje się 50-75% wagowych odpadowego pyłu perlitowego o uziarnieniu poniżej 200 pm i zawartości krzemionki powyżej 70% wagowych, a jako spoiwo mineralne stosuje się wapno hydratyzowane w ilości 4-9% wagowych, które to składniki homogenizuje się na sucho przy użyciu mechanicznych mieszadeł wstęgowych lub obrotowo-wibracyjnych pracujących w układzie zamkniętym lub metodami pneumatycznymi przez 5-10 minut, po czym dodaje się wodę w ilości 20-45% wagowych i dalej miesza przez kolejne 5-10 minut przy użyciu mechanicznych mieszadeł wstęgowych lub obrotowo-wibracyjnych pracujących w układzie zamkniętym, aż do uzyskania jednorodnej masy produkcyjnej o wilgotności 4-6% wagowych, którą następnie poddaje się znanym zabiegom.