Высокопористая наноструктурированная пенокерамика строительного назначения. Свойства. Методы исследования

 
 
 
 
 
 
ВЫСОКОПОРИСТАЯ 
НАНОСТРУКТУРИРОВАННАЯ  
ПЕНОКЕРАМИКА 
СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ 
 
СВОЙСТВА. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2025 

УДК 666.3 
ББК 30.36+35 
В93 
 
Авторы: 
Шаяхметов У. Ш., Батршина Г. С., 
Чудинов В. В., Гайсина А. Ш. 
 
Рецензенты: 
д. т. н., проф. кафедры «Теплоэнергетика и физика» энергетического  
факультета ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный  
университет» Габдрафиков Фаниль Закариевич; 
д. х. н., проф. кафедры «Охрана окружающей среды и рациональное  
использование природных ресурсов» ФГБОУ ВО «Уфимский  
государственный нефтяной технический университет»  
Назаров Алексей Михайлович  
 
 
 
В93   
Высокопористая 
наноструктурированная 
пеноке- 
рамика строительного назначения. Свойства. Методы исследования : учебное пособие / [Шаяхметов У. Ш. и др.].  – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2025. – 224 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-2450-9  
 
Раскрыты основные аспекты получения наностуктурированной пенокерамики: взаимодействие компонентов, физико-химические процессы 
твердения и структурообразования, свойства композитов, а также методы 
исследования. Основное внимание акцентировано на конструировании, 
структуре, физико-механических свойствах пенокерамики.  
Для бакалавров и магистров направления «Материаловедение и технология материалов», преподавателей, научных работников технологических направлений, а также инженерно-технического персонала строительных производств и компаний. 
 
УДК 666.3 
ББК 30.36+35 
 
ISBN 978-5-9729-2450-9 ” Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Повышение эффективности стеновых керамических 
материалов возможно снижением стоимости и трудоемкости строительства, массы зданий и повышением их теплозащиты путем разработки новых видов керамических изделий, позволяющих снизить материалоемкость и затраты 
топливно-энергетических ресурсов. Основанием таких разработок является также увеличение стоимости топлива, сокращение запасов высококачественного глинистого сырья и 
повышение эксплуатационных требований к стеновым материалам. 
Одним из перспективных направлений повышения эффективности стеновой керамики является снижение плотности за счет создания пористой структуры материала. В 
настоящее время уменьшение плотности стеновых керамических материалов до 800–1200 кг/м3 достигается за счет 
увеличения пустотности изделий, а также введения выгорающих добавок в состав керамической массы. 
Однако, предел прочности при сжатии кладки из высокопустотных керамических материалов, выполненной 
даже на весьма прочном растворе, снижается на 60–70 % от 
предела прочности изделий. Причины такого снижения 
прочности заключаются в высокой пустотности изделий, 
размерах и форме пор, а также в расклинивающем действие 
кладочного раствора, частично затекающего в пустоты и 
вызывающего растягивающие напряжения в изделиях. 
Производство высокопористых стеновых и теплоизоляционных керамических изделий средней плотностью менее 800 кг/м3 на основе легкоплавкого глинистого сырья, 
несмотря на их высокие теплозащитные свойства, не получило должного распространения. Причина этого заключа

ется в отсутствии теоретического обоснования процесса поризации керамической массы, разработанной технологии и 
соответствующего оборудования. 
Решение задачи повышения эффективности стеновых 
керамических материалов связано с получением пористой 
структуры пенокерамических материалов на основе легкоплавких глин и оптимизацией технологических параметров, 
позволяющих получить изделия с высокими эксплуатационными свойствами. 
В данном учебном пособии рассматриваются общие 
сведения о пенокерамических материалах, их свойства, а 
также методы исследования свойств материалов из наностркутурированной пенокерамики. В пособии приведены технологии производства пенокерамики строительного назначения, результаты исследования конкретных процессов при 
производстве пенокерамических материалов. 
 
 
 

ГЛАВА 1 
ПЕНОКЕРАМИКА 
 
§1. Общее представление о пенокерамике 
 
Пенокерамика – керамические материалы с ячеистой 
(пористой) структурой. Пенокерамику получают смешиванием керамической шихты с водой и специально приготовленной пеной или вспениванием водной суспензии тонкомолотого керамических материала, в результате чего масса 
приобретает пористую структуру, закрепляемую последующей сушкой и обжигом. Для создания пеномассы используют пенообразователи (клееканифольный, алюмосульфонафтеновый, алкил – сульфатный и др.), уменьшающие поверхностное натяжение жидкости, вследствие чего при интенсивном механическом перемешивании образуется пена 
(пеномасса). Пену стабилизируют добавкой клееканифольной эмульсии, мездрового клея, фенолоформальдегидных 
смол, раствором желатина. 
Пенокерамика плотностью 0,8·0,4 т/м3 и пористостью 
70·87 % имеет предел прочности на сжатие 3·1 МПа и коэффициент теплопроводности 0,3·0,15 Вт/(м°С). Для получения пенокерамика плотностью 0,4 т/м3 используют шликер влажностью до 50 , добавляя в него древесные опилки 
(5 ) и 10%-й раствор алюмокалиевых квасцов. 
Различают пенокерамику на основе пластичных и непластичных наполнителей. Пенокерамика на основе пластичных наполнителей (высокоогнеупорной глины) изготовляют из молотой глины (10·80 ) и молотого шамота 
(20·90 ) с зёрнами размером не более 0,5 мм. Пену готовят 
из разбавленной клееканифольной эмульсии, после чего 
смешивают её со шликером из глины, шамота и воды. Образовавшуюся массу заливают в металлические формы, сушат и обжигают при температуре 1250·1350 °С. 

Пенокерамика на основе оксида алюминия изготовляют 
из тонкоизмельчённого технического предварительно обожжённого при температуре 1400·1450 °С глинозема по технологии пеношамотных материалов. После обжига при температуре 1700·1750 °С изделия имеют пористость 62·82 % и обладают пределом прочности на сжатие 38·10 МПа, коэффициентом теплопроводности – 1,1·0,7 Вт/(м°С). 
Перлитошамотную пенокерамику получают, вводя в 
шихту вспученный перлитовый песок (до 15 ). Плотность 
такой пенокерамики составляет 0,4·0,42 т/м3, предел прочности на сжатие – 1·1,4 МПа, коэффициент теплопроводности 0,15·0,2 Вт/(м°С). 
Пенокерамика на основе высокоогнеупорных глин 
применяют для внутренней футеровки высокотемпературных материалов, в электрических, нагревательных и обжиговых печах, в установках для получения искусств, жидкого 
топлива и т. д. Пенокерамика на основе высокоогнеупорных 
оксидов используют для теплоизоляции в вакуумной технике, в высокотемпературных электропечах, в газогенераторах, в силовых установках летательных аппаратов, в радиопромышленности и др. 
При изготовлении ультралегковесной пенокерамики 
по описанной технологии наиболее сложным является процесс сушки, проводимый в формах в течение длительного 
времени. При использовании непластичных наполнителей, 
например высокоогнеупорных оксидов металлов, длительность сушки заготовки для изготовления изделия размером 
250×120×65 мм достигает 7 суток и часто заканчивается образованием трещин. Добавка раствора желатина (3·4 ) в 
шликер и дубление его формалином при отрицательной 
температуре позволяют проводить сушку заготовок без 
форм в течение 20·24 ч, что значительно упрощает технологию производства изделий из пенокерамики. 

Используемые для создания пенокерамики пены являются коллоидными системами с жидкой поверхностью раздела. Дисперсионной средой в них является жидкость, а 
дисперсионной фазой – газ в виде пузырьков, которые отделены друг от друга пленками жидкости. Пена в таком случае 
отличается от иных дисперсных систем, поскольку среда в 
них также становится дисперсной фазой. Причем соотношение фаз и размеры пузырьков могут меняться в весьма широких пределах. 
 
§2. Технология пенокерамики 
 
Специалистам известно, что пены, используемые при 
создании этого материала, термодинамически неустойчивы. 
Поэтому необходимо использовать специальные добавки, 
которые повысят устойчивость и сделают более прочным 
пленочный «каркас». Этими добавками являются стабилизаторы, в качестве которых могут выступать многие органические поверхностно-активные соединения, а также ряд 
других веществ. 
Пеномассу (трехфазную пену) можно получить путем: 
смешивания пены с высокодисперсным минеральным порошком, смочив его жидкой фазой. Твердые частицы в этом 
процессе распределяются в пленках, а пузырьки окружаются двухфазными оболочками. 
Далее идет следующий этап создания пенокерамики в 
строительстве, а именно сушка. У пеномассы испаряется 
жидкая фаза, в результате чего образуется твердая (двухфазная) пена. У высушенной пеномассы в итоге получается 
низкая механическая прочность, обусловленная слабой связью в получившемся пеноячеистом каркасе между минеральными частицами. 

Чтобы сделать ее более прочной, используют обычный обжиг, приводящий к пиролизу (разложению) органических компонентов, то есть стабилизаторов жидкой пены. 
Также происходит спекание материала, но сохраняется его 
структура, полученная от исходной пены. По этой причине 
соотношение между твердой и газовой фазами и размеры 
пузырьков в пенокерамике могут изменяться в весьма широких пределах. Это изменение зависит от следующих факторов: 
 жидкой пены; 
 химико-минералогической природы и удельной поверхности порошка; 
 количества порошка в трёхфазной пеномассы; 
 условий приготовления пеномассы. 
Поэтому достичь требуемых свойств, когда в основе 
технологии пенокерамики лежит один и тот же минеральный порошок, можно только изменением соотношения фаз 
(твердой, жидкой и газообразной) в пеномассе и грамотным 
регулированием фазового состава порошка. 
От чего ещё зависят свойства материала" Если прочие 
условия равны, то свойства могут меняться в зависимости 
от строения каркаса: характера распределения пузырьков в 
материале, их размеров и количества, от соотношения толщины оболочки вокруг пузырьков с их размером. Теплофизические свойства пенокерамики в строительстве будут 
настолько выше, насколько тоньше оболочка в сравнении с 
пузырьками. Механические свойства в свою очередь будут 
выше, если оболочка будет прочнее. 
Результаты исследований по разработке состава и технологии производства безобжиговой пенокерамики плотностью 150·550 кг/м3 с высокими показателями физико-механических свойств, водостойкостью и температурой эксплуатации до 1200 °С, получаемой из неорганических алюмосиликатных полимеров. 
 

§3. Области применения пенокерамики 
 
Благодаря низкой теплопроводности и высокой жаростойкости пенокерамика эффективно применяется в качестве теплоизоляционного материала. Пенокерамика, также 
может использоваться для фильтрации расплавов металлов, 
в качестве носителя катализатора или сажевого фильтра. 
Пенокерамика – экономичный коррозионно-стойкий 
материал, обладающий высокими термо- и износостойкостью. Значительное преимущество керамических фильтрующих элементов кроме прочих – их большие механическая 
прочность и долговечность. Они могут работать в условиях 
низких и высоких температур без существенного изменения 
своих эксплуатационных характеристик. 
Из пенокерамики изготавливают фильтры, носители 
катализаторов, диафрагмы, мембраны, модели пористых 
сред с фиксированными емкостными и фильтрующими 
свойствами, огнепреградители, термостойкие тигли для 
плавки цветных металлов в индукционных печах, различные пробки для металлургической промышленности и др. 
Пенокерамические изделия в зависимости от требований производственных процессов могут обладать рядом 
уникальных свойств: значительными фильтрующей поверхностью и газопроницаемостью, прочностью и термостойкостью, размерами пор и поверхностью, регулируемыми в широких пределах и другими важными свойствами. 
Изделия из пенокерамики широко используются для 
разделения и обогащения газов методом избирательной 
фильтрации, механической очистке жидкостей, газов и пр. 
Весьма перспективно применение керамических фильтров для очистки жидкостей различного рода, в т. ч. агрессивных, а также нефтепродуктов таких как дизельное топливо, бензина и различных масел. Широкие возможности 
предоставляют конструкции многослойных керамических 

фильтров, состоящих из керамического элемента с набором 
фильтрующих слоев разной очистительной способности. Такой элемент позволяет максимально эффективно очищать 
различные среды, обладающие большим разбросом размеров 
частиц твердой фазы. Эта способность пористой керамики 
определяется возможностью ее изготовления с заданным 
размером пор в широком диапазоне – от десятых до сотен 
микрон, регулируемыми прочностью и химической стойкостью. 
Возможность изготовления керамических элементов 
практически любой внешней геометрической формы, высокие значения механической прочности, фильтрующую активность по всему объему определяют высокую конструктивность и долговечность таких элементов. 
Наиболее рациональной областью применения пенооксид алюминия являются изделия, например, фильтры 
агрессивных сред, фильтры расплавов металлов, высокотемпературная теплоизоляция, носители биологических 
сред, носители катализаторов и шумопоглотители.  
Область применения изделий на основе пенокарбид 
кремния являются высокотемпературные фильтры, фильтры расплавов металлов, носители катализаторов, огнепреградители, инфракрасные излучатели, электрические нагреватели, теплоотводящие элементы, поглотители электромагнитных импульсов, тепловые регенераторы, высокотемпературная теплоизоляция и др. 
Пенооксид циркония рационально использовать в 
фильтрах расплавов металлов (например, стали и жаропрочных сплавов). 
 
§4. Пенокерамика в строительстве 
 
Устойчивая тенденция стоимости топливно-энергетических ресурсов приводит к необходимости повышения