Разработка технологии получения теплоизоляционных бетонов на природных заполнителях

Марка песка по насыпной плотности

показателя

75

100

150

200

250

300

400

500

Теплопроводность при температуре (25+/-5) град.С, Вт/(м х град.С), не более

0,043

0,052

0,058

0,064

0,070

0,076

0,081

0,093

Прочность МПа

не нормируется

0,10

0,15

0,30

0,40

0,60

1. Прочность при сдавливании в цилиндре определяют на фракции от 1,25 до 2,5 мм для песка, применяемого для приготовления легких бетонов.

1. Прочность песка марки по насыпной плотности 600 должна быть не менее 1,0 МПа.

2.2.3 Вермикулит

ГОСТ 12865-67 распространяется на вспученный вермикулит, представляющий собой сыпучий зернистый материал чешуйчатого строения, получаемый в результате обжига природных гидратированных слюд.

Вермикулит применяют в качестве теплоизоляционной засыпки при температуре изолируемых поверхностей от минус 260 до плюс 1100 °С (до 900 °С -- при изоляции вибрирующих поверхностей), для изготовления теплоизоляционных изделий, а также в качестве заполнителя для легких бетонов и для приготовления штукатурных растворов: огнезащитных, теплоизоляционных и звукопоглощающих.

Вермикулит в зависимости от размера зерен делят на следующие фракции:

крупный -- с размером зерен от 5 до 10 мм;

средний -- с размером зерен от 0,6 до 5 мм;

мелкий -- с размером зерен до 0,6 мм.

Вермикулит в зависимости от плотности подразделяют на марки: 100; 150 и 200.

Вермикулит должен соответствовать требованиям, указанным в таблице 2.2.2.

Таблица 2.2.2

Показатель	Норма для марок
	100	150	200
1. Плотность, кг/м3, не более	100	150	200
2.Коэффициент теплопроводности, ккал/(мчград), не более, при средней температуре: (25 ± 5) С	0,055	0,060	0,065
(325 ± 5) С	0,130	0,135	0,140
3.Влажность, % по массе, не более	3	3	3

2.2.4 Высокоглиноземистый цемент

В соответствии с ГОСТ 969 - 91 по содержанию цементы подразделяют на виды:

глиноземистый цемент (ГЦ);

высокоглиноземистый цемент I (ВГЦ I);

высокоглиноземистый цемент II (ВГЦ II);

высокоглиноземистый цемент III (ВГЦ III).

По прочности при сжатии в возрасте 3 сут цементы подразделяют на марки:

ГЦ - 40, 50 и 60;

ВГЦ I - 35;

ВГЦ II - 25 и 35;

ВГЦ III - 25.

Содержание оксидов элементов в цементах должно соответствовать указанному в табл.2.2.3.

Таблица 2.2.3

	Содержание оксидов элементов, %
Вид цемент
	не менее	не более
ГЦ ВГЦ I ВГЦ II ВГЦ III	35 60 70 80	- 32 28 18	- 1,0 1,0 0,5	- 3,0 1,5 0,5	- 1,5 1,0 0,5	- 2,0 2,0 0,5	- 0,05 0,05 0,05

*Рекомендуемые значения

**Содержание оксида железа представляет собой сумму и , пересчитанных на .

Физико-механические показатели цементов должны соответствовать указанным в табл.2.2.4.

Таблица 2.2.4

	Значение для цемента вида и марки
Наименование показателя	ГЦ	ВГЦ I	ВГЦ II	ВГЦ III
	40	50	60	35	25	35	25
1. Предел прочности при сжатии, МПа, не менее, в возрасте:
1 сут	22,5	27,4	32,4	-	-	-	-
3 сут	40,0	50,0	60,0	35,0	25,0	35,0	25,0
2. Тонкость помола:
остаток на сите с сеткой № 008 по ГОСТ 6613, % не более;	10	10	10	10	10	10	10
удельная поверхность, кв. м/кг, не менее	-	-	-	300	300	300	300
3. Сроки схватывания:
начало, мин, не ранее	45	45	45	30	30	30	30
конец, ч, не позднее	10	10	10	12	15	15	15
4. Огнеупорность, °С, не менее	-	-	-	1580	1670	1670	1750

2.2.5 Портландцемент

ГОСТ 10178 - 85:

По вещественному составу цемент подразделяют на следующие типы:

портландцемент (без минеральных добавок);

портландцемент с добавками (с активными минеральными добавками не более 20 %);

шлакопортландцемент (с добавками гранулированного шлака более 20 %).

По прочности при сжатии в 28-суточном возрасте цемент подразделяют на марки:

портландцемент - 400, 500, 550 и 600;

шлакопортландцемент - 300, 400 и 500;

портландцемент быстротвердеющий - 400 и 500;

шлакопортландцемент быстротвердеющий - 400.

Предел прочности цемента при изгибе и сжатии должен быть не менее значений, указанных в табл. 2.5.

Таблица 2.2.5

Обозначение вида цемента	Гаранти-рованная	Предел прочности, МПа (кгс/см2)
	марка	при изгибе в возрасте, сут	при сжатии в возрасте, сут
		3	28	3	28
ПЦ-Д0,ПЦ-Д5,	300	--	4,4 (45)	--	29,4 (300)
ПЦ-Д20, ШПЦ	400	--	5,4 (55)	--	39,2 (400)
	500	--	5,9 (60)	--	49,0 (500)
	550	--	6,1 (62)	--	53,9 (550)
	600	--	6,4 (65)	--	58,8 (600)
ПЦ-Д20-Б	400	3,9 (40)	5,4 (55)	24,5 (250)	39,2 (400)
	500	4,4 (45)	5,9 (60)	27,5 (280)	49,0 (500)
ШПЦ-Б	400	3,4 (35)	5,4 (55)	21,5 (220)	39,2 (400)

Начало схватывания цемента должно наступать не ранее 45 мин, а конец - не позднее 10 ч от начала затворения.

Допускается введение в цемент при его помоле специальных пластифицирующих или гидрофобизирующих поверхностноактивных добавок в количестве не более 0,3 % массы цемента в пересчете на сухое вещество добавки.

2.2.6 Пластификатор

Пластификаторы для огнеупорных бетонов Castament:

Castament FS 10 - диспергатор на основе полиэтиленгликоля. Castament FW 10 - диспергатор на основе полиэтиленгликоля, но в отличие от Castament FS 10 обладает дополнительными свойствами ускорителя схватывания и гидратации глиноземистого цемента. Дозировка от 0.05 до 0.5 % от всей массы бетонной смеси. Диспергирующие добавки Castament FW 10 и Castament FS 10 могут смешиваться в любом соотношении для оптимизации удобоукладываемости и времени схватывания огнеупорных бетонных смесей.

Пластификаторы немецкой фирмы «SKW»: Melment F 10, Melment F 15 G, Melflux 1641 F, Melflux PP 100 F. Принцип действия основывается на рассеянии статических зарядов и пространственной стабилизации частиц вяжущего вещества, что приводит к их высокоэффективному диспергированию. Подвижность и перерабатываемость пластифицированного раствора значительно увеличивается, а водопотребность смеси существенно снижается. Преимущества: увеличение конечной прочности, плотности и однородности затвердевшего камня, уменьшение усадки.

Таблица 2.2.6. Технические характеристики

Тип	Melment F 10	Melflux PP 100 F	Melflux 1641 F	Melment F 15 G
Химическая основа	Меламин-формальдегид	полиэтиленгликоль	поликарбоксилат	Меламин-формальдегид
Метод получения	Распылительная сушка из раствора, полученного в результате поликонденсации
Форма	порошок	порошок	порошок	порошок
Цвет	белый	желтоватый	желтоватый	белый
Насыпная плотность, г/дм3	450-750	300-500	400-600	550-850
pH 20 % раствора при 20 єС	9-11,4	6,5-8,5	6,5-8,5	7-10
Рекомендуемая дозировка (мас.% на вес вяжущего)	0,2-1,5	0,05-0,5	0,05-1,5	0,2-2,0
Рекомендуемое вяжущее	Все виды цемента, гипс	Глиноземистый цемент	Портланд-цемент	гипс

2.2.7 Вата муллитокремнезёмистая рубленная

Таблица 2.2.7. Рулонный материал - МКРР-130

Массовая доля, % Аl2O3 (Al2O3 + SiO2), не менее Сr2O3	51 97 -
Плотность кажущаяся, кг/м3	130
Температура спекания, єС	1150
Потери массы при прокаливании, %	0,6
Теплопроводность, Вт/(м•К)	-
Размер рулона, мм Длина Ширина Толщина	(5000 - 15000) ± 100 (600 - 1400) ± 20 20 ± 5

2.2.8 Асбестовая крошка

Асбест состоит из смеси волокон различной длины и агрегатов.

В зависимости от длины волокна асбест подразделяют на восемь групп: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7.

Асбест групп 0 - 6 делится на марки в зависимости от фракционного состава, определяемого методом сухого рассева на контрольном аппарате из четырех сит:

первое сито с размером стороны ячейки в свету 12,7 мм,

второе - 4,8 мм;

третье - 1,35 мм;

четвертое - 0,4 мм.

Асбест 7-й группы делится на марки в зависимости от насыпной плотности.

В асбесте групп 0 - 2 не должно быть частиц сопутствующих пород размером более 0,4 мм, в асбесте групп 3 - 7-размером более 4,8 мм.

В асбесте не должно быть посторонних предметов.

Массовая доля влаги в асбесте не должна превышать 3 %.

Асбест 7-й группы по насыпной плотности - таблица 2.2.8.

Таблица 2.2.8

Марка	Насыпная плотность, г/дм3, не более
А-7-300	300
А-7-370	370
А-7-450	450
А-7-520	520

2.3 Приготовление образцов

Бетонные смеси согласно таблицам 2.3.1, 2.3.2 готовили путём ручного сухого смешения отвешенных исходных компонентов. Точность взвешивания компонентов - до 0.1г.

Образцы из выбранных составов бетонных смесей готовили путём смешения сухой смеси с водой в заранее определённой пропорции и виброформованием в металлические разборные формы диаметром и высотой 50 мм.

После формования образцы в течение 24 ч. выдерживали в формах, а затем в течение 7 суток - на воздухе. Затем образцы термообрабатывали при 110, 1000 и 1200 ⁰С в муфельных печах с выдержкой при конечной температуре 2 часа. На термообработанных образцах определяли линейную усадку, кажущуюся плотность и предел прочности при сжатии.

Таблица 2.3.1. Составы исследуемых масс на основе перлита

компоненты	Содержание масс. %
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
Шамот фр. 1-0	75	65	55	45	60	50	40	30	45	35	25	15	77,5	67,5	57,5	47,5	75	65	55	45	70	60	50	40
Перлит	10	20	30	40	10	20	30	40	10	20	30	40	10	20	30	40	10	20	30	40	10	20	30	40
ВГЦ	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	7,5	7,5	7,5	7,5	10	10	10	10	15	15	15	15
ПЦ	10	10	10	10	25	25	25	25	40	40	40	40	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Асбест крошка	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Вата рубленная	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5
Пластификатор	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5

Таблица 2.3.2. Составы исследуемых масс на основе вермикулита

Компоненты	Содержание масс. %
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Шамот, фр. 1-0	75	65	55	45	60	50	40	30	45	35	25	15
Вермикулит	10	20	30	40	10	20	30	40	10	20	30	40
ПЦ	10	10	10	10	25	25	25	25	40	40	40	40
Вата рубленная	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5
пластификатор	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5

3. Обсуждение результатов

Результаты определения свойств исследованных составов представлены в табл. 3.1 и 3.2.

Из данных таблиц 3.1 и 3.2 мы видим:

1. Увеличение количества лёгкого заполнителя, независимо от его состава (перлит или вермикулит), ведёт к закономерному уменьшению кажущейся плотности и механической прочности образцов (пример - рис. 1 - 2). Причём добавка вермикулита в большей степени понижает прочность образцов, нежели аналогичная по массе добавка перлита.

Рис. 1. Зависимость кажущейся плотности образцов с 10 мас. % портландцемента от содержания перлита ( ) и вермикулита ( ) в смеси.



Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии образцов с 10 мас. % портландцемента от содержания перлита ( ) и вермикулита ( ) в смеси.

2. Увеличение содержания вяжущего в бетонной смеси ведёт к закономерному росту прочности (при одинаковом содержании плотного и лёгкого заполнителей) (пример - рис.3).

Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии образцов на основе перлита ( ) и вермикулита ( ) от содержания портландцемента в смеси.

3. С ростом температуры термообработки плотность и прочность образцов на цементной связке закономерно уменьшается (пример - рис. 4), что связано с разупрочнением цементной связки в процессе дегидротации цементного камня.

Рис. 4. Зависимость кажущейся плотности ( ) и прочности при сжатии ( ) образцов основе перлита от температуры термообработки образцов..

Таблица 3.1 Результаты исследования составов на основе перлита

№ п/п	20 єС	110 єС	1000 єС	1200 єС
	скаж	усж	скаж	усж	l	скаж	усж	l	скаж	усж
1	1,2	2,2	1,1	1,7	0,1	1,2	1,5	0,0	1,0	1,7
2	1,0	2,0	1,0	1,7	0,2	0,9	1,5	0,1	1,0	1,7
3	0,9	1,9	0,8	1,5	0,6	0,8	1,5	2,2	1,0	1,0
4	0,8	1,4	0,7	1,5	1,0	0,7	1,2	-*	-	-
5	1,4	6,7	1,4	8,0	0,1	1,3	3,0	0,2	1,2	3,1
6	1,1	6,0	1,1	4,2	0,3	1,1	3,0	0,7	1,1	3,0
7	0,8	3,1	0,8	2,5	1,2	0,8	2,8	-	-	-
8	0,7	2,4	0,6	2,4	1,8	0,7	2,7	-	-	-
9	1,3	11,0	1,2	7,5	0,6	1,2	4,1	1,1	0,9	2,7
10	0,9	5,7	0,9	4,6	0,6	0,8	3,5	-	-	-
11	0,8	4,6	0,8	4,0	0,9	0,7	3,1	-	-	-
12	0,7	3,7	0,7	3,3	1,0	0,6	2,6	-	-	-
13	1,2	2,3	1,3	2,1	0,2	1,2	1,5	0,4	1,3	1,2
14	0,9	1,6	0,9	1,7	0,4	0,9	1,5	1,3	1,0	1,0
15	0,8	1,2	0,8	1,0	1,9	0,8	1,6	-	-	-
16	0,6	0,9	0,6	0,7	3,7	0,7	2,3	-	-	-
17	1,2	2,6	1,2	1,7	0,5	1,2	1,7	0,5	1,2	1,5
18	0,9	1,6	0,9	1,5	0,7	0,9	1,5	1,5	0,8	1,3
19	0,9	1,5	0,7	1,4	0,8	0,8	1,7	-	-
20	0,7	1,2	0,6	1,1	1,9	0,6	1,6	-	-	-
21	1,1	3,0	1,1	2,4	0,3	1,0	1,7	0,5	1,0	1,3
22	0,8	1,7	0,8	1,7	1,1	0,8	1,6	-	-	-
23	0,6	1,4	0,6	1,0	1,6	0,6	1,6	-	-	-
24	0,6	1,2	0,5	0,9	2,0	0,6	1,3	-	-	-

* образцы расплавились

Таблица 3.2. Результаты исследования составов на основе вермикулита

№ п/п	20 єС	110 єС	1000 єС	1200 єС
	с каж	у сж	с каж	у сж	l	с каж	у сж	l	с каж	у сж
1	1,3	2,4	1,2	2,2	0,4	1,1	1,7	0,4	1,1	1,5
2	1,2	2,4	0,9	1,6	0,7	0,9	0,8	0,5	1,0	1,5
3	1,0	0,9	0,7	1,2	0,8	0,7	0,7	1,8	0,7	1,5
4	0,6	0,7	0,6	0,8	1,0	0,5	0,2	4,2	0,7	0,5
5	1,3	4,4	1,1	2,5	0,4	1,2	1,7	0,1	1,2	1,5
6	0,9	1,9	0,8	2,0	0,6	0,8	1,2	2,0	0,9	1,1
7	0,7	1,7	0,7	1,7	0,7	0,7	0,7	2,8	0,8	1,1
8	0,6	1,4	0,5	1,3	0,8	0,5	0,3	3,0	0,6	0,8
9	1,1	4,3	1,0	5,0	0,6	1,0	1,7	3,5	0,9	1,2
10	0,9	3,9	0,8	3,7	0,8	0,8	1,5	3,6	0,7	0,9
11	0,8	2,5	0,7	2,4	0,9	0,6	1,0	-*	-	-
12	0,7	1,8	0,6	2,0	1,1	0,5	0,4	-	-	-

* образцы расплавились

4. Одновременное увеличение количества связующего вещества (как портландцемента так и ВГЦ) и лёгкого заполнителя (как перлита, так и вермикулита) в системе ведёт к снижению температуры применения материала (см. таблицы 1 и 2). Системы на основе перлита, в общем, показывают меньшую температуру службы (большую линейную усадку), чем составы на основе вермикулита.



Рис. 5 Влияние количества цемента в системе с 20 % лёгкого заполнителя на линейную усадку образцов после термообработки при 1200 ⁰С. ( ) - система перлит - ВГЦ; ( ) - система перлит - ПЦ; ( ) система вермикулит - ПЦ.

5. Использование более дорогого высокоглинозёмистого цемента вместо портландцемента не приводит к ожидаемому эффекту повышения температуры службы бетона (рис. 6, рис. 7) и использование его в качестве вяжущего для дешёвых теплоизоляционных бетонов технологически и экономически нецелесообразно.

6. В системе перлит - портландцемент до температуры 1000 ⁰С наиболее оптимальным набором свойств (механическая прочность, кажущаяся плотность, линейная усадка) обладают образцы с содержанием 40 % портланцемента (рис. 8).

а б

в

Рис. 6. Зависимость линейной усадки образцов с 7.5 мас. % (а), 10 % ВГЦ (б) и 15 % ВГЦ (в) на основе перлита от температуры термообработки образцов.

* обрыв графиков - образцы расплавились.



Рис. 7. Зависимость прочности при сжатии образцов с 20 мас. % перлита и 10 мас. % ( ) ПЦ и 10 мас. % ( ) от температуры термообработки образцов.

а б

в

Рис. 8. Зависимость линейной усадки (а), кажущейся плотности (б) и механической прочности (в) образцов в системе перлит - портландцемент (40 мас. %) от температуры термообработки образцов.

7. В системе вермикулит - портландцемент до температуры 1200 ⁰С наиболее оптимальным набором свойств (механическая прочность, кажущаяся плотность, линейная усадка) обладают образцы с содержанием 25 % портланцемента (рис. 9).

8. Теплоёмкость разработанных бетонных материалов может быть оценена исходя из химического и фазового состава бетонных смесей.

где С_р - теплоёмкость материала, с_i - теплоёмкость i^той фазы, m_i - масса i^той фазы.

Для системы перлит - 40 мас. % портландцемента:

фаза	количество, масс. %	удельная теплоёмкость, кДж/ (кг К)
шамот	15 - 45	ср = 1,033 +0,175t - 0.301t-2
перлит	10 - 40	ср = 1,009 +0,188t - 0.291t-2
портландцемент	40	0,84

При температуре 1000 ⁰С теплоёмкость шамота будет составлять

С_ш = 1.033 + 0.175 * 1000 - 0.301 *1000 ^-2 = 1,17 кДж/ (кг К)

Теплоёмкость перлита:

С_п = 1.009 + 0.188 * 1000 - 0.291 * 1000 ^-2 = 0,811 кДж/ (кг К)

Таким образом, теплоёмкость бетона на основе перлит - портландцемент при температуре 1000 ⁰С будет изменяться в зависимости от изменения вещественного состава в пределах:

С_ПБ = с_ш (0.15 - 0.45) + с_п (0.1 - 0.4) + с_ц * 0.4 = 0.84 - 0.94 кДж/ (кг К)

Для системы вермикулит - 25 мас. % портландцемент

фаза	количество, масс. %	удельная теплоёмкость, кДж/ (кг К)
шамот	30 - 60	ср = 1,033 +0,175t - 0.301t-2
вермикулит	10 - 40	ср = 0,998 +0,282t - 0.232t-2
портландцемент	25	0,84

При температуре 1000 ⁰С теплоёмкость шамота будет составлять

С_ш = 1.033 + 0.175 * 1000 - 0.301 *1000 ^-2 = 1,17 кДж/ (кг К)

Теплоёмкость вермикулита:

С_п = 0.998 + 0.282 * 1000 - 0.232 * 1000 ^-2 = 0,87 кДж/ (кг К)

Таким образом, теплоёмкость бетона на основе вермикулит - портландцемент при температуре 1000 ⁰С будет изменяться в зависимости от изменения вещественного состава в пределах:

С_ВБ = с_ш (0.3 - 0.6) + с_п (0.1 - 0.4) + с_ц * 0.25 = 0,91 - 1,0 кДж/ (кг К)

а б

в

Рис. 9. Зависимость линейной усадки (а), кажущейся плотности (б) и механической прочности (в) образцов в системе вермикулит - портландцемент (25 мас. %) от температуры термообработки образцов.

9. Теплопроводность разработанных бетонных материалов может быть оценена исходя из кажущейся плотности, химического и фазового состава разработанных бетонных смесей.

Для бетонов системы перлит - портландцемент, при кажущейся плотности 0.6 - 1.2 г/см³ при температуре 1000 ⁰С

л_ПБ = 58 + 0,12t = 58 + 0.12 * 1000 = 0.178 Вт/ (м К)

Для бетонов системы вермикулит - портландцемент, при кажущейся плотности 0.6 - 1.1 г/см³ при температуре 1200 ⁰С

л_ВБ = 70 + 0,27t = 70 + 0.27 * 1200 = 0.394 Вт/ (м К)

Выводы

1. В работе исследованы физико - химические свойства бетонных составов в системах перлит - портландцемент, перлит - высокоглинозёмистый цемент, вермикулит - портландцемент в зависимости от температуры термообработки.

2. В результате исследования установлено, что:

- для температур службы до 1000 ⁰С наиболее оптимальными служебными характеристиками будут обладать бетоны и бетонные изделия в системе перлит - портландцемент с содержанием 40 мас. % портландцемента (линейная усадка менее 1 %, кажущаяся плотность в зависимости от содержания перлита от 0.6 до 1.3 г/см³, прочность при сжатии от 12 до 5 МПа, теплоёмкость 0.84 - 0.94 кДж/(кг К), теплопроводность ~ 0.178 Вт/(м К));

- для температур службы до 1200 ⁰С наиболее оптимальными служебными характеристиками будут обладать бетоны и бетонные изделия в системе вермикулит - портландцемент с содержанием 25 мас. % портландцемента (линейная усадка менее 2 %, кажущаяся плотность в зависимости от содержания перлита от 0.6 до 1.2 г/см³, прочность при сжатии от 5 до 2 МПа, теплоёмкость 0.9 - 1.0 кДж/(кг К), теплопроводность ~ 0.39 Вт/(м К)).

3. Использование высокоглинозёмистого цемента для бетонов данного класса технологически и экономически нецелесообразно.

4. В результате работы предложены составы дешёвых теплоизоляционных бетонов на природных заполнителях для средних температур службы (до 1200 ⁰С), которые по своим физико - химическим свойствам аналогичны используемым в настоящее время волокнистым и ультролегковесным огнеупорным материалам.

4. Экономическая часть

Данная исследовательская работа направлена на решение проблемы снижения энергоемкости производства.

Актуальность проблемы, на решение которой направлена НИР, состоит в том, что теплоизоляционные материалы применяют в различных отраслях промышленности, так как производство и применение таких материалов снижает материалоёмкость, экономит топливо и способствует интенсификации тепловых процессов.

Целью работы является разработка новых высокоэффективных теплоизоляционных материалов на природных заполнителях.

Одним из путей решения может стать разработка нового поколения теплоизоляционных материалов - изделий и бетонных смесей - на основе природных теплоизоляционных материалов. Это обусловлено большим выходом годного, т.е. выпуском продукции, близким к 100 %-ному выходу без брака), и благоприятным условиям для автоматизации и непрерывности рабочих процессов. Таковы очевидные преимущества использования таких теплоизоляционных материалов.

В работе исследовали возможность получения теплоизоляционных бетонов с температурой службы до 1200-1300 єС для тепловых агрегатов черной и цветной металлургии и энергетики. В качестве пористого заполнителя использовали вспученные природные перлит и вермикулит, выпускаемые отечественной промышленностью в большом количестве.

Данная исследовательская работа относится к числу поисковых, так как направлена на анализ и развитие исследований для установления возможности и необходимости их практического применения.

Результатом работы является рекомендации по созданию новых составов теплоизоляционных бетонов.

Рассчитать экономический эффект по НИР на данном этапе предоставляется возможным только для сырья:

Д сырья = С₁ - С₂ = 178000 - 148400 = 29600 руб./т.

С₁,С₂ - стоимость сырья, затраченного для производства корундовых легковесных материалов и для легковесов на природных заполнителях соответственно.

Таким образом, себестоимость новых легковесов ниже, чем старых на 16,7 %

4.1 Расчет затрат на НИР

Стоимость израсходованных в процессе исследования основных и вспомогательных материалов, реактивов рассчитывается исходя из их фактического расхода и цен. Расчет представлен в табл. 4.1.

Таблица 4.1. Стоимость материалов

№ п/п	Наименование материала	Единица измерения	Цена, руб./ед.	Количество, ед.	Сумма, руб.
1	Шамот	кг	1,10	19,500	21,45
2	Перлит	м3	12,00	5,800	69,60
3	Вермикулит	кг	5,30	3,000	15,90
4	ВГЦ	кг	50,00	1,400	28,00
5	ПЦ	кг	22,00	6,290	138,38
6	Асбест крошка	кг	13,00	0,630	8,19
7	Вата рубленная	кг	25,00	1,300	32,50
8	Пластификатор	кг	20,00	0,193	3,86
	Всего				317,88

4.2 Затраты на электроэнергию

Затраты на электроэнергию определяют исходя из мощности оборудования, времени его работы и цены 1 кВт•ч, то есть:

С=Р•ф•К (4.1)

 где Р - мощность установки, кВт;

ф - время работы установки, ч;

К - стоимость 1 кВт•ч, руб/кВт•ч.

Расчёт представлен в табл. 4.2.

Таблиц 4.2. Стоимость электроэнергии

№ п/п	Наименование оборудования	Мощность но- минальная,кВт	Время, час	Израсходованная мощность, кВт	Сумма, руб
1	Печь	4,0	36	144,00	192,96
2	Пресс ПСУ-10	1,5	1	1,50	2,01
3	Весы АДВ-200М	0,02	6	0,12	0,16
4	Сушильный шкаф	2,0	12	24,00	32,16
	Всего	7,52	55	169,62	227,29

Для УГТУ - УПИ 1 кВт•ч=1,34 руб.

4.3 Заработная плата

Зарплата руководителя в месяц составляет 2400 руб., норма рабочего времени в месяц 155 часов. На одного дипломника отводится по 20 часов за период дипломирования (для консультанта 1 - 2 часа). Тогда зарплата руководителя составит:

(2400•20)/153=313,73 руб.

Отчисления на социальные нужды рассчитываются в размере 35,6% от суммы заработной платы руководителя и консультантов и составляют 178,01 руб.

Прочие расходы определяются в размере 25% от суммы зарплаты. К ним относятся общеинститутские расходы на отопление, освещение, воду, амортизацию и ремонт зданий, оборудование, канцелярские и прочие расходы, затраты на содержание учебно-вспомогательного и административно-управленческого персонала и составляют 125,01 руб.

Результаты расчетов представлены в табл. 4.3.

Таблица 4.3 Заработная плата

№ п/п	Должность	Зарплата в месяц, руб.	Зарплата в час, руб.	Отработанное время, час.	Сумма, руб.
1	Руководитель	2400	15,69	20	313,80
	Консультанты:
2	Экономика	4500	29,41	2	58,82
3	БЖД	3000	19,60	1	19,60
4	Экология	5500	35,94	1	35,94
5	Автоматика	5500	35,94	2	71,88
	Всего				500,04

4.4 Итоговая смета затрат на НИР

Таблица 4.4. Смета затрат на НИР

№ п/п	Затраты	Сумма, руб.	Структура, %
1	Стоимость материалов	317,88	23,58
2	Электроэнергия	227,29	16,86
3	Заработная плата	500,04	37,08
4	Отчисления на социальные нужды	178,01	13,21
5	Прочие расходы	125,01	9,27
	ВСЕГО	1348,23	100

Вывод

Данная итоговая смета является обобщающим документом этой научной исследовательской работы, где на основе расчетов, выполненных в предыдущих таблицах, определяются все затраты на производство и реализацию данных исследований. На проведение данной НИР было затрачено 1348,23 руб. Полученные результаты могут быть использованы при дальнейшем изучении составов теплоизоляционных бетонов.

5. Безопасность и экологичность проекта

При проведении научно-исследовательской работы, вопросы безопасности труда и экологичности имеют важное значение. Безопасность жизнедеятельности заключается в обеспечении безопасных условий труда, в охране окружающей среды, в прогнозировании чрезвычайных ситуаций.

В химической лаборатории кафедры химической технологии керамики и огнеупоров приняты меры, обеспечивающие предупреждения воздействию вредных и опасных факторов при проведении исследовательской работы.

Общая организация работы по безопасности в лаборатории возлагается на заведующего лабораторией. Лаборатория оснащена естественным и искусственным освещением, паровым отоплением, водопроводом. Во всех помещениях лаборатории устроена приточно-вытяжная вентиляция, обеспечивающая очистку воздуха.

Воздухообмен в лаборатории рассчитан таким образом, чтобы фактическая концентрация ядовитых веществ, паров, пыли в воздухе не превышала предельно-допустимой концентрации (ПДК) на рабочем месте [15].

В лаборатории для работающих предусмотрена спецодежда, индивидуальные средства защиты (СИЗ). Все реактивы хранятся в таре с подписью, указывающей ее содержание. Все работы проводятся после изучения инструкции по технике безопасности.

5.1 Характеристика сырья и ПДК в рабочей зоне

Тысячи химических соединений используются и выпускаются промышленностью. Многие из них не разлагаются на более простые безвредные продукты, и накапливаются в атмосфере, воде или почве и преобразуются в еще более токсичные продукты. Большое количество продуктов попадают в биосферу, включаются в происходящие в ней процессы и возвращаются к человеку, проникая через дыхательные пути, органы пищеварения или кожу.

Для контроля качества воздуха были введены ориентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ), ориентировочно допустимые концентрации (ОДК), временно допустимые концентрации (ВДК). Основным критерием качества воздуха является предельно-допустимая концентрация примесей (ПДК). С позиции экологии ПДК представляет верхние пределы лимитирующих факторов среды, при которых содержание примесей не выходит за допустимые границы экологической жизни человека. Существует раздельное нормирование содержания примесей в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе.

Рабочей зоной считаются все помещения лаборатории.

Используемые в работе материалы: шамот, портландцемент, высокоглиноземистый цемент имеют концентрацию в воздухе в пределах ПДК. Справочные значения ПДК приведены в СН 2.2.1.1312 - 03.

5.2 Вредные и опасные факторы при работе с шихтами, меры защиты

Изготовление исследуемых масс может сопровождаться следующими вредными факторами:

- пылевыделение при взвешивании компонентов и составлении шихты;

- повышенный уровень шума и вибрации на рабочем месте при изготовлении образцов и определении их прочности;

- опасность механических травм при работе на прессовом оборудовании;

- тепло избытки при работе с печами;

- опасность поражения электрическим током.

Для уменьшения запыленности на рабочем месте проводят следующие мероприятия:

- оборудование для помола располагается в отдельном помещении;

- помольное и печное отделение оборудованы местной вытяжной вентиляционной системой;

- при работе с порошками прилагаются СИЗ;

В результате этого создаются условия работы, соответствующие ГОСТ 12.1.005 - 88.

5.3 Шум и вибрация

В лаборатории шум возникает при работе прессового и помольного оборудования.

По СН 2.2.412.1.8.562-96 для шумов частотой до 1000 Гц нормируемый уровень шума 75 дБ [16].

Мероприятия, направленные на снижение повышенного уровня шума на рабочем месте и вибрации:

1) Все агрегаты, производящие шум и вибрацию, вынесены в специальные помещения, где нет постоянных рабочих мест.

2) Агрегаты, которые требуют постоянного контроля за работой, снабжены специальными звукопоглощающими кожухами.

5.4 Избыточное тепло

Главным источником тепла при работе являются силитовые печи. Обжиг в силитовых печах проводили при температуре 1400 єС. Действие избыточного тепла отрицательно сказывается на состоянии человека. Оптимальные нормы микроклимата, установленные в соответствии с Сан.Пин. 2.2.4548-96, при работе средней тяжести, следующие для теплового и переходного периода года:

Температура воздуха - 20 ч 30 єС.

Влажность воздуха - 40 ч 60%.

Скорость движения воздуха - ? 0.2 ч 0.5 м/с.

Давление обуславливается географическим местоположением.

Меры защиты от избыточных тепловыделений:

- теплоизоляция излучающих поверхностей асбестом, каолиновой ватой;

- местная вытяжка воздуха через зонт;

- аэрация через окна и двери;

- окраска источников тепловыделения в серебристый цвет;

- увлажнение воздуха;

- индивидуальные средства защиты (халат, рукавицы, защитные очки, косынки, щипцы).

5.5 Электробезопасность

В исследовательской работе применяются установки, работающие на переменном токе при напряжении 220 В.

По степени опасности поражения электрическим током лабораторные помещения относятся к помещениям с повышенной опасностью, так как имеют бетонные токопроводящие полы [17].

А) Все электрооборудование имеет электроизоляцию токоведущих частей;

Б) Корпуса оборудования заземлены, сопротивление заземления не превышает 4 Ом для установок с напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ;

В) Предусмотрено ограждение всех токоведущих частей, либо их размещение на недоступной высоте.

По пожарной опасности, согласно СНиП 2-90-91 печное отделение по пожарной безопасности относится к категории «Г», а помещения лаборатории к категории «В-2» [18]. По степени огнестойкости здание относится ко II категории. Для предотвращения пожаров сушильные шкафы ставятся на специальные асбестовые коврики, силитовые печи стоят на металлических столах. Все помещения оборудованы специальными пожарными щитами, где имеются огнетушащие устройства и материалы (огнетушители, песок и т.д.). Стационарное пожаротушение - внутренний и наружный водопровод.

5.6 Освещенность

Организация освещенности является одним из основных вопросов безопасности. Естественное освещение осуществляется через окна. Искусственное освещение осуществляется лампами накаливания Н5-220-60, дающими 40-60% светового потока вниз. Световой поток 1680 ЛК.

Наименьшая допустимая освещенность рабочего места 150 ЛК по СНиП-23-05-95.

При планировании естественного освещения необходимо учесть, что соотношение между площадью помещения и площадью освещаемой поверхности должны удовлетворять равенству:

(1.1)

гдеS₀ - площадь световых проемов при боковом освещении, м²;

S_п - площадь пола помещения, м²;

e_н - нормируемое значение коэффициента естественной освещенности равное 1;

К_з - коэффициент запаса, К_з=1,5;

К_зд - коэффициент, учитывающий затемнение окон противостоящим зданием, К_зд= 1;

₀ - световая характеристика окон, ₀=13;

₀ - общий коэффициент светопопадания:

₀=₁*₂*₃*₄*₅=0,8*0,6*0,7*1*0,8*1,9(1.2)

где ₁ - коэффициент светопропускания материала;

₂ - коэффициент, учитывающий потери в перемещениях светопроема;

₃ - коэффициент, учитывающий потери света в несущих конструкциях;

₄ - коэффициент, учитывающий потери в солнцезащитных устройствах;

₅ - потери света в защитной сетке, установленной под фонарем;

r₁ - коэффициент, учитывающий повышение коэффициента естественной освещенности при боковом освещении благодаря свету, отраженному от поверхностей помещения и подстилающего слоя. прилегающего к зданию, r₁=1,9;

Подставив все величины в формулу (1.1) находим:

Требуемое освещение составляет:

=

Следовательно, естественного освещения недостаточно для выполнения работ требуемой точности.

Расчет искусственного освещения производится по формуле:

 (1.3)

где f - световой поток каждой лампы;

Е - заданная минимальная освещенность рабочего места;

К - коэффициент запаса для лампы накаливания;

S - площадь освещаемой поверхности;

r - коэффициент, учитывающий равномерность освещения;

n - число ламп накаливания;

Z - коэффициент использования светового потока.

Световой поток для ламп накаливания типа НБ-220-60 равен 620 ЛК.

Таким образом, искусственное освещение отвечает требованиям санитарных норм 23-05-95.

5.7 Экологичность проекта

Загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления наносят большой экологический ущерб. Беспечное отношение к окружающей среде приводит к увеличению заболеваемости, генетическим отклонениям, климатическим изменениям, гибели животных и растений и ко многим другим плачевным последствиям. В лаборатории загрязнение окружающей среды отходами, шумом, теплоизлучением носят периодический характер.

Экологичность работы заключается в снижении пылеобразований. Для предотвращения ущерба: герметичное оборудование, предусмотрена вентиляция.

К положительным характеристикам данной технологии относятся: отсутствие технологических отходов и минимальное количество технологических выбросов (отсутствуют продукты сгорания, сточные воды).

Содержатся только малоопасные нерастворимые в воде вещества, легко поддающиеся фильтрованию и другим способам очистки сточных вод.

В качестве сырья использовали шамот, высокоглиноземистый цемент, перлит, асбест. В соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 ПДК в воздухе рабочей зоны для шамота составляет 2.0 мг/м³. Он относится к IV классу опасности, преимущественно фибрагенного действия.

ПДК в воздухе рабочей зоны для высокоглиноземистого цемента составляет 6.0 мг/м³. Он относится к IV классу опасности, преимущественно фибрагенного действия.

ПДК в воздухе рабочей зоны для перлита составляет 4.0 мг/м³. Он относится к IV классу опасности [19].

Концентрация всех используемых веществ в воздухе и в сточных водах не превышает ПДК.

Наиболее экологичными с точки зрения ПДК являются те составы, которые содержат наименьшее количество шамота и асбеста:

Таблица 5.1

Состав, №	Содержание, %
№ 8	Шамот - 30 Перлит - 40 Асбест - 5 ВГЦ - 25
№ 11	Шамот - 25 Перлит - 30 Асбест - 5 ВГЦ - 40
№ 12	Шамот - 15 Перлит - 40 Асбест - 5 ВГЦ - 40

5.8 Чрезвычайные ситуации

Возникновение чрезвычайных ситуаций сведено до минимально допустимого уровня.

В случае возникновения чрезвычайных ситуаций предусмотрены запасные выходы, разработан план эвакуации, первичные средства пожаротушения.

Выводы

В результате принятых мероприятий вредные воздействия на окружающую среду и человека минимальны.

Условия труда оптимизированы.

Вероятность получения травм находится в допустимом риске.

6. Автоматика

1 - весы аналитические 2 класса (АДВ - 200М)

2 - печь силитовая (ШП - 1)

3 - шкаф сушильный (ССНОЛ - 3.5*3.5*3.5/3.5 - Н-1)

4 - пресс гидравлический ПСУ - 10

6.1 Весы аналитические АДВ - 200М

Весы аналитические предназначены для точного определения массы при проведении исследовательских работ.

Таблица 6.1 Технические характеристики

Характеристика	Значение
Максимальная нагрузка, г	200
Цена деления шкалы, мг/дел	0,1
Диапазон измерения по шкале, мг	10
Вариации показаний, не более, мг	0,1
Погрешность от неравноплечности: а) при выпуске весов с завоза, не более, мг б) для весов, прошедших испытание на влияние транспортной температуры и тряски, не более, мг	± 1 ± 2
Время успокоения, не более, сек	40
Погрешность 100 делений шкалы, не более, мг	± 0,3
Погрешность 50 делений, не более, мг	± 0,2
Габаритные размеры: Длина, мм Ширина, мм Высота, мм	435 415 500
Масса весов, кг	18

6.2 Силитовая печь ШП - 1

Обжиг производился в электрической печи с силитовыми нагревателями.

Контроль и регулирование температуры в печи производился с помощью термопары типа ТПР - 30/6 и милливольтметра М - 254 со встроенным ПИ - регулятором.

Таблица 6.2 Техническая характеристика термопары

Характеристика	Значение
Предел измерений, єС	1600
Инерционность, мин	1,5
Допустимое отклонение ТЭДС термопары в диапазоне, мВ: 0 - 300 єС 300 - 600 єС для 1300 єС для 1600 єС	± 1 ± 1ч ± 2,2 ± 3,2 ± 3,6

Таблица 6.3 Техническая характеристика милливольтметра

Характеристика	Значение
Предел измерений, мВ	47
Ток полного отклонения на всех пределах, мВ	0,5
Основная погрешность, %	0,2
Время успокоения, сек	3
Испытанное напряжение изоляции, кВ	2
Количество шкал	2
Цена деления шкалы, єС	20
Класс точности	1,5
Погрешность, єС	±24

6.3 Сушильный шкаф (ССНОЛ - 3.5*3.5*3.5/3.5 - Н-1) предназначен для сушки образцов при температуре до 250 єС

Таблица 6.4 Техническая характеристика сушильного шкафа

Характеристика	Значение
Номинальная мощность, Вт	500±10%
Номинальная температура в рабочем пространстве печи, єС	250
Время разогрева до номинальной температуры, мин	45
Точность автоматического регулирования температуры в установленном режиме работы, єС	± 3
Неравномерность температуры по объему рабочего пространства печи при номинальной температуре, єС	± 6
Номинальное напряжение сети, В	220

Кривая разгона сушильного шкафа СШ - 0,25 - 100

Из рис. 1 следует: ф_об =180 с; Т_об =540с;

t = t^кон - t ^нач=118-25=93 C

х_вх=220 В

К_об= t/х_вх= 93/220 =0,42 C/В

Передаточная функция

W_об(р) =К_обe ^{-фоб р}/ (1+Т_об)

W_об(р) = 0,42e ^{-180 р}/(1+540р)

6.4 Пресс гидравлический ПСУ - 10

Предназначен для определения механических свойств, таких как предел прочности при сжатии, демонстрации физических опытов, требующих значительного давления.

Таблица 6.5. Техническая характеристика пресса ПСУ -10

Характеристика	Значение
Наибольшая допустимая нагрузка, кг	10000
Количество диапазонов измерения	2
Предел измерения: по шкале А по шкале В	5000 10000
Средняя относительная погрешность показателей от действительной нагрузки для каждой проверяемой точки шкалы, кг	2
Цена деления: шкалы А шкалы В	10 20
Допустимая ошибка: шкалы А шкалы В	10 20

Библиографический список

1. Гузман И.Я. Высокоогнеупорная пористая керамика. М.: Металлургия, 1971. 208с.

2. Геология СССР / Гл. ред. Сидоренко А.В. М.: издательство «Недра», 1973.630с.

3. Горяйнов К.Э., Дубенецкий К.Н., Васильков С.Г., Попов Л.Н. Технология минеральных теплоизоляционных материалов и лёгких бетонов. М.:Стройиздат, 1966. 432с.

4. Суворов С.А., Скурихин В.В. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе вермикулита // Огнеупоры и техническая керамика. 2002. №12 С.24-30.

5.Кащеев И.Д. Производство огнеупоров. М.: Металлургия, 1993. 143с.

7. Химическая технология керамики и огнеупоров / Под ред. П.П. Будникова. М.: издательство по строительству, 1972.552с.

8. Шестоперов С.В. Технология бетона. М.: Высшая школа, 1977. 432с.

6. Жаростойкие бетоны / Под ред. Некрасова К.Д. М.: Стройиздат, 1974. 176с.

9. Стрелов К.К., Кащеев И.Д., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. М.: Металлургия, 1988. 528с.

10. Хорошавин Л.Б. Магнезиальные бетоны. М.: Металлургия, 1990. 168с.

11. Сизов В.Н., Киров С.А., Попов Л.Н. Технология бетонных и железобетонных изделий. М.: Высшая школа, 1972. 518с.

12. Огнеупорные бетоны / Замятин С.Р., Пургин А.К. и др. М.: Металлургия, 1982. 192с.

13. Смирнов Ю.В., Смирнов В.Ю., Тимофеев М.П., Трепалин С.В., Итяксов Н.И. Современные теплоизоляционные материалы на основе минеральных волокон // Огнеупоры и техническая керамика. 2000. №7 С.19-23.

14. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Технический контроль производства огнеупоров. М.: Металлургия, 1986. 212 с.

15. Захаров Л.Н. Техника безопасности в химических лабораториях. Л.: Химия, 1985. 181с.

16. СН 2.2.412.1.8.562-96. Шум. Общие требования безопасности. М.: Изд-во стандартов, 1996. 10с.

17.ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ. Электробезопасность. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1983. 10с.

18.ГОСТ 12.1.004-85 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1983. 10с.

19. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник. Л.: Химия, 1985. 528 с.

Размещено на Allbest.ru