Высокопористая наноструктурированная пенокерамика строительного назначения. Исследование процессов при производстве. Контроль качества

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВЫСОКОПОРИСТАЯ 
НАНОСТРУКТУРИРОВАННАЯ 
ПЕНОКЕРАМИКА 
СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 
 
 
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ  
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ. 
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА 
 
 
 
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
ИНФРА-М 
2022 

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73 

В93

ФЗ 

№ 436-ФЗ 

Издание не подлежит 

маркировке в соответствии  

с п. 1 ч. 2 ст. 1

Публикуется по решению учебно-методической комиссии 
инженерного факультета  
Башкирского государственного университета 
(протокол № 3 от 27.11.2014) 
А в т о р ы: 
У.Ш. Шаяхметов, И.А. Фахретдинов, В.В. Чудинов, А.Р. Хамидуллин, 
Г.С. Батршина 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
А.М. Назаров, доктор химических наук наук, профессор Академии наук 
Республики Башкортостан; 
кафедра 
общей 
технологии 
и 
металловедения 
Уфимского 
государственного авиационного технического университета 
 
  

В93 

Высокопористая 
наноструктурированная 

пенокерамика 
строительного 
назначения. 
Исследование 
процессов при производстве. Контроль качества : учебное 
пособие / У.Ш. Шаяхметов, И.А. Фахретдинов, В.В. Чудинов  
[и др.]. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 238 с. — (Высшее 
образование).

ISBN 978-5-16-111210-6 (online)

Учебное 
пособие 
раскрывает 
процесс 
производства 
наностуктурированной пенокерамики, а также контроль качества. Основной 
акцент сделан на конструировании бездефектных изделий строительной 
пенокерамики. 
Предназначено  для бакалавров и магистров направления 
подготовки 
«Материаловедение 
и 
технология 
материалов», 

преподавателей, научных работников технологических направлений, 
инженерно-технического персонала строительных производств и компаний. 
Может быть использовано в учебных программах и спецкурсах технологий 
материалов высших учебных заведений.

УДК 620.22(075.8) 

ББК 30.3я73

 
 
ISBN 978-5-16-111210-6 (online) 

© Коллектив авторов, 2022

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ 

ПЕНОКЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 

§ 1. Исследование процессов сушки и обжига пенокерамических 
материалов 

Исследование процесса сушки.Особенности сушки 
пенокерамических материалов. 
Процесс сушки пенокерамических материалов включает два этапа: 
подсушку формовочной смеси в формах до нарастания необходимой 
структурной прочности и сушку сырца в распалубленном состоянии. 
Имеет смыслв первую очередь рассмотретьдостижение структурной 
прочности сырца, необходимой для распалубки форм, осуществленной за 
счет активной коагуляции. Как известно, увеличение скорости 
коагуляции достигается введением в массу коагулянта на стадии 
поризации. Установлены оптимальные содержания добавок коагулянтов, 
необходимых для достижения интенсивной коагуляции таким образом, 
чтобы потеря текучести поризованных масс наступала после полной 
заливки форм. Использование изложенного механизма увеличивает 
структурную прочность сырца, что позволяет осуществить распалубку в 
течение небольшого времени, и изделия при этом не деформируются. 
Таким образом, в коагуляционной технологии пенокерамических 
изделий первый этап сушки заключается в выдержке поризованной массы 
в формах. 
Продолжительность выдержки, а также и всего процесса сушки 
зависит от способности глинистого сырья к коагуляции, вида и 
содержания 
коагулянта, 
кажущейся 
плотности 
и 
среднего 
влагосодержания сырца и т.д. 
Зависимость продолжительности сушки от влажности можно 
получить путем решения системы дифференциальных уравнений влаго- 
и теплопереноса. А.В.Лыков предложил приближенные уравнения 
кривой сушки в периодах постоянной и падающей скорости [69]. На 
основании этих уравнений продолжительность сушки в период 
падающей скорости может быть рассчитана по формуле:  

���� =
��������−��������
����
−
1
�������� [1 + 2.3 lgx ( W − WP) ]     (4.1) 

а общая продолжительность сушки будет равна: 

���� =
1
���� (����0 − ��������1) +
2,3
����1 lg ����1(��������1 − ��������2) +
2,3
����2 ��������
��������2−��������
����−�������� ,      (4.2) 

где t - общая продолжительность сушки, час; Ж, 1¥0, ЖР - влагосодержание 
материала, соответственно, в момент времени г, начальное и равновесное, г/г; х, 
X], х2 - относительные коэффициенты сушки, ед.; N - скорость сушки в периоде 

падающей скорости, г/см час; ЖК1, 1¥К2 - первое и второе критическое 
влагосодержание, г/г. 
Однако, уравнения (4.1) и (4.2) не учитывают особенностей процесса 
сушки пенокерамических изделий. Основные из этих особенностей 
следующие. 
1. В теории сушки рассматривается система твердые частицы-водагаз; в данном случае поризованная масса в первый период времени 
содержит неразрушенную пену. Разрушение пены, а следовательно, 
возрастание паропроницаемости сырца, зависит от устойчивости пены. 
Таким образом, для повышения паропроницаемости изделий необходимо 
снижать устойчивость пены, а для предотвращения осадки массы 
необходимо ее повышать. Наличие пены и низкая структурная прочность 
сырца не позволяет поднять температуру в начальном периоде сушки 
выше 400С. Превышение этого предела приводит через определенное 
время, соответствующее прогреву материала, к разрушению от действия 
растягивающих напряжений. Причина этого заключается в том, что при 
повышении температуры до 500С и выше происходит резкое увеличение 
давления пара испаренной в пузырьки пены воды. Пузырьки 
увеличиваются в размерах, что приводит к появлению "горбушки" и 
затем к разрушению ее сплошности [44]. 
Давление парогазовой смеси, превышающее давление влажного 
воздуха в окружающей среде, вызывает движение парогазовой смеси по 
типу фильтрации. Наложение фильтрационного движения парогазовой 
смеси на капиллярно-диффузионный перенос влаги приводит к 
перестройке механизма переноса и связанной с ней существенной 
интенсификацией сушки [89]. 
То есть, в начальный период сушки преобладает капиллярнодиффузионный перенос влаги, который с понижением влажности 
замедляется. После распалубки и разрушения пены перенос влаги в виде 
пара значительно интенсифицируется и со временем становится 
преобладающим. 
В процессе сушки пенокерамических материалов изменяется 
отношение объема сырца (V) к поверхности испарения материала (F):  
ß = V/F. 
Так, если в начальный период сушки, когда сырец находится в форме, 
ß = h (где h - высота изделия), то при распалубке поверхность испарения 
увеличивается в 3-4 раза, а ß, соответственно, в 3-4 раза уменьшается. 
Испарение жидкости из пористых тел может отличаться от испарения 
жидкости со свободной поверхности тем, что поверхность испарения 
расположена внутри тела на некоторой глубине от его поверхности. 
Однако, в приведенном в подтверждение этого расчете [68], глубина 
поверхности испарения (£) принята постоянной в процессе сушки. В 

поризованной массе, содержащей пену, углубление поверхности 
испарения происходит по мере разрушения пены, т.е. величина £ не 
является постоянной в процессе сушки.  
По А.В.Лыкову углубление поверхности испарения при сушке 
пористой керамики на 5 мм приводит к возрастанию коэффициента 
теплообмена на 25 % по сравнению с теплообменом, когда испарение 
происходит с поверхности. 
Следует особо остановиться на таком вопросе, как количество 
испаряемой воды при сушке пенокерамических изделий. Сравним 
количество испаряемой воды с изделий одинакового объема, например, с 
традиционной 
технологией 
керамического 
кирпича 
методом 
пластического формования. 
Абсолютная формовочная влажность керамических масс, в среднем 
составляет: для пенокерамических изделий - 50-70%; для материалов 
пластического формования - 17-23%. Массу испаряемой воды можно 
определить из формулы: 
mв = W абсmc   (4.3) 
где Wабс - абсолютная формовочная влажность, кг/кг; mc - масса абсолютно 
сухого изделия, кг. 
Массу испаряемой воды при сушке пенокерамического кирпича и 
кирпича пластического формования можно выразить соответственно: 
mв1 = Wабс1mc1,                      (4.4) 
mв2 = Wабс2mc2,                      (4.5) 
Примем во внимание тот факт, что абсолютная формовочная 
влажность пенокерамических изделий в среднем в 3 раза выше влажности 
изделий пластического формования, т.е. 
Wабс1 = 3Wабс2                        (4.6) 
Плотность абсолютно сухих изделий в среднем составляет: 600 кг/м3 
- для пенокерамического кирпича и 1800 кг/м3- для кирпича 
пластического формования. Таким образом, при сушке изделий 
одинакового размера масса абсолютно сухого пенокерамического 
кирпича в 3 раза меньше массы абсолютно сухого кирпича пластического 
формования, т.е.  
mc1= mc2/3                              (4.7) 
Подставив соотношения (4.6) и (4.7) в формулу (4.4) получим: 
mв1 = Wабс2mc2,                      (4.8) 
mв1 = mв2,                            (4.9) 
Следовательно, в данном случае количество воды испаряемой при 
сушке 
пенокерамических 
материалов 
и 
изделий 
пластического 
формования одинаково. При сушке пенокерамических изделий заданной 
средней плотностью от 450 до 600 кг/м3, а также при формовочной 
влажности масс 50-60 %, количество испаряемой воды будет меньше в 

1,1-1,5 раза по сравнению с керамическими материалами пластического 
формования. Таким образом, распространенное мнение о том, что при 
сушке пенокерамических изделий количество испаряемой воды с 
единицы изделия в несколько раз больше (в связи с повышенной 
формовочной влажностью), по сравнению с изделиями пластического 
формования следует считать совершенно не обоснованным. 
Сложностью исследования процесса сушки пенокерамических 
материалов является то, что при этом решается задача выбора 
оптимального состава керамической массы. Новый состав керамической 
массы - это материал с определенными свойствами (влаго- и 
газопроницаемостью, коэффициентом теплообмена и т.д.). 
Для каждого состава пенокерамической массы и вида изделий 
необходимо устанавливать определенный оптимальный режим сушки, 
т.е. допускаемую скорость сушки, температуру материала и параметры 
сушильного агента, которые бы обеспечивали качественную сушку 
последнего. 
Необходимым условием при разработке режима сушки является 
построение 
кривой 
сушки. 
В.А.Езерским 
было 
предложено 
приближенное 
уравнение 
кривой 
сушки 
пористокерамических 
материалов [44]: 

���� = �������� +
��������−��������
1
1+����10��������(��������−����0+��������),                            (4.10) 

а, продолжительность сушки из (4.10) определяется по уравнению: 

���� =
����0−��������
����
+
10��������
���� ��������
����0−����
����−��������  ,                             (4.11) 

где t - общая продолжительность сушки, час; W, W0, WP, - влагосодержание 
материала, соответственно, в момент времени t, начальное и равновесное, г/г; N - 
скорость сушки, г/см2 час;  pc- средняя плотность сухих изделий, г/см3; е = 2,3. 
В уравнениях (4.1) и (4.11) в силу особенностей сушки 
пористокерамических материалов отличаются лишь вторые члены, 
характеризующие: в уравнении (4.1) период падающей скорости; в 
уравнении (4.11) периоды выдержки до распалубки и падающей скорости 
сушки. 
На рис. 4.1 представлены кривые сушки (1а, 2а) пенокерамических 
образцов 
из 
глинистого 
сырья 
Грудиновского 
и 
Агрызского 
месторождений, построенные по результатам эксперимента. Следует 
отметить, что сушка изделий в лабораторных условиях осуществлялась 
со скоростью теплоносителя 6 м/с. Также по данным В.В.Перегудова [88] 
было принято положение о том, что пористая керамика не требует 
влажного режима сушки. 
Наиболее ответственными периодами сушки пенокерамических 
изделий является период прогрева и период постоянной скорости. 

Необходимо 
отметить, 
что 
описанные 
выше 
структурные 
разрушения сырца в начальном периоде сушки (осадка, "горбушка") 
возможны лишь в том случае, когда процесс активной коагуляции 
поризованной массы не завершен. После окончания интенсивной 
коагуляции температуру можно постепенно повышать, вследствие 
существенного 
возрастания 
структурной 
прочности 
сырца, 
позволяющего осуществить распалубку в довольно ранние сроки (через 
80-180 мин после заливки массы в формы, в зависимости от способности 
глинистого сырья к коагуляции, состава поризованной массы, вида и 
содержания коагулянта, заданной средней плотности изделий и т.д.). 
Таким образом, период прогрева изделия, как правило, соответствует 
времени выдержки его в формах до распалубки (рис. 4.1. 1в, 2в). В 
соответствии с особенностями сушки пенокерамических материалов, 
температура сушильного агента в первом периоде не должна превышать  
40-450С (рис.4.1. 1б, 2б). 
Период постоянной скорости сушки сопровождается наиболее 
интенсивной усадкой изделия, неравномерность которой вызывает 
опасные напряжения и трещины. Поэтому температуру теплоносителя 
постепенно повышали с 40 до 600С. 
В период падающей скорости сушки, то есть после прекращения 
усадочных явлений, температуру сушильного агента поднимали с 60 до 
800С и досушивали до остаточной влажности 5%. 
Анализ кривых сушки пенокерамических материалов позволяет 
сделать вывод, что в силу особенностей, приведенных выше, в начальный 
период времени интенсивность сушки относительно невысока. После 
распалубки интенсивность возрастает и сушку можно осуществлять при 
температуре 40-600С, а после прекращения усадочных явлений - 60-800С 
(по данным В.В.Перегудова [88] - даже при 150-1800С). 
Таблица 4.1 
Среднее влагосодержание в процессе сушки 
пенокерамических материалов 

Влагосодержание, %

№ 
пп.

Время, 
час 

Средняя плотность сухих изделий из сырья 

Грудиновского месторождения, кг/м3 

Средняя плотность сухих изделий 

из сырья Агрызского 
месторождения, кг/м3 

500
600
750
950
600
750
950

1
0
56,0
56,0
56,0
56,0
69,5
69,5
69,5

2
2
54,5
54,3
54,0 (расп.)
53,8

(расп.) 

68,5
68,0
67,8

3
2,5
53,9
53,5

(расп.) 

53,0
52,4
68,0
67,6
67,1

4
3
53,2

(расп.) 

51,5
51,1
50,8
67,6
67,1

(расп.) 

66,5

(расп.) 

5
3,5
49,5
48,7
48,6
48,5
67,0

(расп.) 

66,4
65,9

6
4
47,3
46,8
47,0
47,1
66,2
65,5
64,8

7
6
37,6
38,0
38,5
38,7
62,3
62,0
61,6

8
8
29,2
29,9
30,9
31,7
53,1
53,6
53,0

9
10
22,7
23,6
24,8
25,8
43,0
43,1
42,8

10
14
12,2
13,3
14,9
16,0
23,9
24,9
26,0

11
18
5,1
6,4
8,1
9,0
14,3
15,6
16,9

12
22
3,9
5,0
6,1
8,9
10,3
11,5

13
26
3,8
6,0
7,5
8,9

14
30
3,4
5,0
6,6

 
Таким образом, температурные кривые (рис. 4.1. 16, 26) были 
подобраны на основе теоретических [44; 88; 89] и экспериментальных 
данных. 
Следует отметить, что, как правило, для образцов средней плотность 
500-650 кг/м3 требовалось увеличение продолжительности выдержки в 
форме по сравнению с образцами средней плотностью 700-950 кг/м3. 
Однако после распалубки интенсивность сушки изделий средней 
плотностью 500-650 кг/м3, в особенности в периоде падающей скорости, 
значительно повышалась. Причина этого заключается в следующем. 
Согласно законам влагопроводности и термовлагопроводности, 
интенсивность перемещения влаги внутри материала пропорциональна 
градиентам влагосодержания и температуры. Однако, при сушке 
нагретым воздухом температурный градиент внутри материала в 
начальном периоде сушки (соответствующем периоду выдержки 
материала в форме) незначителен и не учитывается, а интенсивность 
сушки 
(ϳn) 
характеризуется 
в 
основном 
влагопроводностью 
и 
пропорциональна плотности материала [66]: 
ϳn=β∙ρ(∇U)                                           (4.12) 
где β - коэффициент влагообмена, отнесенный к разности влагосодержаний. 
Из соотношения (4.12) следует, что с увеличением плотности 
материала увеличивается и интенсивность сушки. Это верно только для 
начального периода сушки. После распалубки изделия в процессе сушки 
происходит 
непрерывное 
снижение 
капиллярно-диффузионного 

переноса влаги и возрастание роли фильтрационного движения пара, 
которое пропорционально газопроницаемости материала. 
С 
понижением 
плотности 
материала 
коэффициент 
газопроницаемости, а, следовательно, и интенсивность испарения 
увеличиваются, о чем свидетельствуют результаты эксперимента (табл. 
4.1). 
В заключение данного раздела следует отметить, для того чтобы 
воспользоваться уравнением кривой сушки пористокерамических 
материалов (4.10), необходимо экспериментально определить скорость 
сушки (N), которая, как отмечалось, зависит от большого числа факторов. 
Оптимизация этих факторов возможна в промышленных условиях, так 
как в исследовании процесса сушки весьма важен масштабный фактор. 
Поскольку из-за отсутствия действующего производства строительных и 
теплоизоляционных пенокерамических материалов такое исследование 
невозможно, то эксперименты в лабораторных условиях проводились для 
подтверждения принимаемых предпосылок. Режим сушки опытнопромышленной партии пенокерамических материалов приведен в 
разделе 5.1. 
Интерес представляет изучение процесса трещинообразования при 
сушке 
пенокерамических 
изделий.Свойства 
высушенных 
пенокерамических изделий исследуют при условии отсутствия в 
сырцовой структуре сушильных трещин. Причины образования трещин 
при сушке пенокерамических изделий заключаются в следующем: 

 
t,час. 
Рис. 4.1. Изменение среднего влагосодержания (кривая сушки) и 
температуры в зависимости от продолжительности сушки пенокерамических 
образцов из глинистого сырья Грудиновского (1) и Агрызского (2) 
месторождений: 1а, 2а - кривые сушки; 16, 26 - температуры окружающего 
воздуха при сушке пенокерамических образцов; 1 в, 2в — температуры 
поверхности образцов; 1А, 2А - точки распалубки образцов; 1Б, 2Б - точки, в 
которых остаточная влажность составляет 5%. 

В 
процессе 
сушки 
усадка 
изделия 
происходит 
вследствие 
перемещения его наружных слоев к центру, с другой, стороны пеномасса 
обладает адгезией к основанию формы. В начальный период сушки, когда 
структурная прочность изделия относительно мала, происходит её 
разрыв. Чем большая протяженность изделия, тем большее перемещение 
наружных слоев имеет место. Именно поэтому трещины, как правило, 
направлены перпендикулярно граням с наибольшими размерами. 
Неравномерность распределения влаги по толщине изделия в 
процессе сушки вызывает неравномерность усадки различных его слоев. 
Сначала, когда изделие находится полностью в форме, испарение влаги 
происходит только с открытой поверхности. При распалубке снятием 
боковых стенок испарение влаги происходит с верхней и четырех 
боковых поверхностей. В результате у основания изделия образуется 
область с более высокой влажностью и, соответственно, более низкой 
усадкой. Вследствие этого на поверхности изделия возникают 
растягивающие, а у основания образца сжимающие напряжения, которые 
могут вызвать опасные деформации, коробление изделия или появление 
в нем трещин. 
Использование способностей глинистого сырья к коагуляции 
повышает структурную прочность сырца в начальный период сушки, что 
в свою очередь позволяет осуществить распалубку изделий через 2-3 часа 
после начала сушки, и снизить вероятность появления трещин. 
Во избежание появления опасных напряжений, возникающих из-за 
неравномерной усадки сырца, распалубка изделий осуществлялась 
способом предложенным фирмой "DeBoer" (Нидерланды). Данный 
способ распалубки применяется в западной Европе при мягком 
формовании керамического кирпича и заключается в следующем. 
Формы, жестко закрепленные на конвейере, накрываются сверху 
пластинами-рамками. Конвейер переворачивает формы на 180 0 - таким 
образом, изделия оказываются на пластинах-рамках. Пустые формы 
направляются по этому же конвейеру на чистку и смазку. 
Применение данного способа распалубки позволяет снизить 
вероятность образования области с повышенной влажностью у основания 
изделия, переместив ее ближе к центру, тем самым, уменьшив 
растягивающие и сжимающие напряжения. 
Для улучшения сушильных свойств сырца нами был разработан 
способ изготовления керамических изделий, который заключается в том, 
что в состав исходной керамической массы добавляется распушенный 
картон в количестве 0,5-1,0% по массе сухого вещества, в зависимости от 
физико- химических и технологических свойств глинистого сырья. 
Распушивание тарного картона осуществлялось в лабораторной