Конструкційно-теплоізоляційні керамічні матеріали з організованою поровою структурою для енергозберігаючого будівництва

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 – технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертацію присвячено розробці технології поризованої конструкційно-теплоізоляційної кераміки з покращеними теплотехнічними та механічними характеристиками на основі недефіцитної глинистої сировини та функціональних добавок техногенного походження. Встановлені закономірності формування пористої структури керамічних матеріалів у взаємозв'язку з технологічними параметрами їх отримання і властивостями, визначена доцільність організації структур зі сферичними порами як найбільш міцних. Визначені шляхи досягнення низької густини і покращеної міцності матеріалів, які полягають у використанні золосфер і модифікації мас глинистими та структурозміцнюючими добавками. Розроблені технологічні параметри виробництва будівельної кераміки на основі неспікливого суглинку, керамзитової глини, золосфер і ваграночного шлаку, що дозволяють за температури 970 °С отримати вироби з поризованою стінкою і пустотністю 40 %, які характеризуються марками за міцністю М175 і морозостійкістю F50, коефіцієнтом теплопровідності 0,19 Вт/(м·К), густиною 850 кг/м³ і відносяться до виробів високої ефективності.

Dissertation for a degree of Candidate of Science, Technology (PhD), Specialty 05.17.11 – Technology of Refractory Nonmetallic Materials. National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2021. The dissertation is devoted to technology of heat-efficient insulating construction ceramic materials with improved thermal and mechanical properties on the basis of low-quality brick/tile feed and industrial origin components. The work includes a review and analysis of up-to-date research and development achievements in the field of heat-efficient ceramics for energy-saving civil engineering. Performed theoretical research was aimed to predict insulating properties of 3D models of large-size porous and non-porous various voidance articles. Advantages of least voidance model with porous ceramic wall are shown from the point of view of better thermal conductivity as well as advantages of globular pore structural model from the point of view of better mechanical strength. Polymineral clays of different chemical mineral composition were studied as typical sources of raw materials for brick and tile industry. Phase formation processes of these rocks were studied in connection with their sintering characteristics and properties. Process-structure-properties string was traced for ceramic materials obtained under different pore formation mechanisms. Additives are defined capable to arrange increased porosity of materials at their weakening values as small as possible. Correlations are found between structural parameters indicative of the necessity to arrange porous structures with small closed globular pores as being least imperfect and most strong. Techniques were studied for ceramic basis strengthening of ceramic materials obtained from non-sinterable loams. Positive effect of cupola slag (20 %) and claydite (10-20 %) was determined in strengthening of ceramic materials. By optimization, the range of reasonable ceramic mass composition was determined as well as its optimal analysis (56 % loam, 14 % claydite, 10 % ash globules and 20 % cu-pola slag), burning temperature and degree of fineness of crude components, which together with burning temperature of 970 °С enable manufacture of materials with average density 1380 kg/m³ and compression strength 20,2 MPa. Process techniques were proved for strengthening of "ceramic matrix-ash globule" area by pretreatment of ash globules in order to ensure their adhesion to other mass components. In order to improve strength it was shown expedient to create as close as possible interaction between pore formant and the mass, which is attained by ash globule pretreatment with claydite slurry which is favorable to liquid phase sintering between ash globule and the mass in the course of burning. Process flow diagram was developed for insulating porous construction ceramics which provides for shorter drying (24 h) and burning (44 h) cycles. This permits manufacture of insulating construction ceramics meeting the values of mechanical strength M175, thermal conductivity of 0,19 W/(m·K) and density of 850 kg/m³ (at 40% void).