Номер части:
Журнал

ПЕНОСТЕКЛО НА ОСНОВЕ СТЕКЛОБОЯ И ВЫСОКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД



Науки и перечень статей вошедших в журнал:
Авторы:
DOI:


Осуществление мероприятий по повышению энергоэффективности существующих и вновь возводимых объектов строительства требует применения для их теплоизоляции конкурентоспособных теплоизоляционных материалов. Данная проблема особенно актуальна в холодных и влажных регионах, где эффективная теплоизоляция может дать значительный экономический эффект.

Одним из направлений решения данной проблемы являются проведение НИОКР и внедрение их результатов в производство высокоэффективного теплоизоляционного материала — пеностекла, применение которого в объектах строительства, в том числе – автодорожного, рассчитано на неограниченно длительный срок службы и превосходящего по долговечности все используемые в настоящее время теплоизоляционные материалы.

Вопросами синтеза пеностекол занимались такие ведущие вузы и научные учреждения России, как МГСУ (Москва), ИХС РАН (Санкт-Петербург), БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород), ВГАСУ (Воронеж) и др.[1,2,3].

Технология получения пеностекол по сокращенной схеме, без энергоемкого стекловарения разработана в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете (ВСГТУ), где созданы пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя. В исследованиях А.Д.Цыремпилова, Д.Р.Дамдиновой и др. повышению эффективности пеностекол способствовали механо-химическая активация сырья, а для регулирования их поровой структуры и свойств применялись добавки-катализаторы и специальные технологические приемы термообработки [4].

Актуальность исследований вызвана потребностью строительной индустрии в эффективных теплоизоляторах. Основное преимущество разработанной технологии – это возможность использования широкого спектра местных сырьевых материалов, например, эффузивных пород (перлитов, нефелиновых сиенитов и базальтов), запасы которых в Бурятии достаточны для освоения производства пеностекла в промышленных объемах.

Использование энергонасыщенных эффузивных горных пород при получении из них пеностекол по сокращенной технологии, как правило, требует подшихтовкистеклобоем и (или) добавки щелочного компонента, а также тонкого измельчения и механоактивации компонентов шихты. Удельная поверхность, являясь кинетическим фактором, снижает энергозатраты при обжиге пеностекол. В особенности это важно для получения качественных пеностекол при непосредственном вспенивании размягченной стекломассы, поскольку в этом случае трудно добиться степени однородности расплава, которая достигается при высокотемпературной варке. Несомненна также роль химического и фазового составов исходного сырья, которые также предопределяют энергозатраты производства пеностекла.

В последующих работах для синтеза пеностекол применялись стеклобой и цеолитовые горные породы, представленные витрокластическим туфом и цеолитсодержащей породой, а в качестве щелочного компонента использован гидроксид натрия.

Цеолитовые минералы характеризуются сообщающимися между собой окнами, каналами и полостями на уровне кристаллической решетки, которые обусловливают уникальные свойства цеолитов, такие, как ситовой эффект, высокие ионообменные, сорбционные и каталитические способности. Указанная особенность этих минералов, содержащихся в исходных породах, проявляется при предварительной обработке прессовок-сырцов перед обжигом и влияет на структуру и свойства синтезируемых пеностекол.

Свойства полученных пеностекол главным образом зависят от их поровой структуры, содержания кристаллофаз и распределения их по объему, которые в свою очередь обусловлены рядом химико-технологических факторов к которым относятся структура исходных горных пород и стеклобоя, уникальные способности цеолитовых минералов, содержащихся в изучаемых породах, изменения в их структуре при механохимической активации и предварительной подготовке сырцовых прессовок перед обжигом.

Известно, что для увеличения скорости химических реакций необходима энергетическая активация реагирующей системы, которая направлена на перевод компонентов и всей системы в термодинамически нестабильное состояние [1,2,3,4].

Активация может быть вызвана воздействием механической, тепловой, химической и других видов обработки. Очевидно, что меньшие энергозатраты на активацию потребуются тем системам, которые уже имеют высокий исходный энергетический уровень и наоборот. В этом отношении рассматриваемые модельные системы «стеклобой-витрокластический туф» (СБ-ВТ) и «стеклобой-цеолитсодержащая порода» (СБ-ЦСП) различаются уровнем исходного энергетического состояния, что отражается на процессе поризации алюмосиликатного расплава. ВТ и ЦСП, несмотря на близость химического состава различаются минералогическим составом и содержанием стеклофазы.

При синтезе пеностекол механизм воздействия механоактивации на структуру алюмосиликатных пород и стеклобоя заключается, главным образом, в разрыве Si−O−Si- связей и превращении в присутствии воды силоксановых связей в силанольные по известной схеме 1:

и, как следствие, снижении энергии активации процессов фазо, и порообразования в стекле на стадии обжига.

Активация вызывается также и химическим воздействием, то есть молекулы приобретают нужную энергию и в процессе химической реакции. При введении в систему щелочного компонента в виде гидроксида натрия флюсующее воздействие щелочных ионов на структуру пород и стеклобоя выражается в разрыве мостиков Si−O−Si по схеме 2:

(2)

и образованием водородных связей О-Н…О.

Полученные в ходе работ пеностекла на основе высококристаллических горных пород и стеклобоя — это обжиговыйстеклоконгломерат, в котором вяжущая часть представлена затвердевшим алюмосиликатным стеклорасплавом, а поры являются специфической разновидностью теплоизоляционного заполнителя. Микроструктура пеностекла представлена стеклофазой, которая состоит из легкоплавких компонентов, не успевших выкристаллизоваться ввиду большой скорости остывания расплава. Вспучиванию вследствие поризации в процессе обжига подвергается стеклофаза, находящаяся в пиропластическом состоянии.

В технологии производства пеностекол по сокращенной схеме особая роль в формировании структуры и свойств материала принадлежит подготовительным операциям. На этом этапе раскрываются потенциальные свойства сырьевых материалов и достигается повышение их активности различными способами, направленными наинтенсификацию физико-химических процессов на основной технологической операции – вспенивании при обжиге.

Представляло интерес изучение влияния предварительной подготовки формованных сырцовых прессовок в виде длительной выдержки в нормальных условиях или пропаривания перед обжигом на структуру и свойства пеностекол.

Применение различной интенсивности предварительной гидротермической обработки сырцов пенообразующих смесей показало механизм активации, заключающийся в том, что при предварительной выдержке и пропаривании происходит интенсификация проникновения ионов натрия в структуру (окна, каналы и полости) кристаллической решетки цеолитового минерала, вызывает трансформацию Si−O−Si – связей в Si-O-Na-связи и образование водородныхО-Н…Освязей.

Повышенное количество цеолитового минерала в используемых породах рассматривается как фактор, интенсифицирующий физико-химические процессы при получении пеностекол и обусловливает интерес к применению механо-химической активации пород и предподготовки отпрессованных сырцов для создания пеностекол с заданными свойствами.

Главная практическая задача исследований состояла в том, чтобы варьируя рецептурно-технологические факторы (химико-минералогический состав исходных сырьевых материалов, содержание щелочного компонента в составе шихты, режимы механоактивации компонентови предварительной подготовки сырцов перед обжигом и температура обжига) в условиях низкотемпературного обжига получить пеностекла с заданными свойствами.

В монографии Б.К. Демидовича [5, с. 210] есть мнение о положительном влиянии предварительной гидротермальной обработки стекла на снижение температуры начала вспенивания и расширении его интервала и установлено, что кипячение проб пенообразующей смеси сократило время их предварительной обработки.

Пеностекло как теплоизоляционный материал характеризуется средней плотностью и изолирующей способностью. В ходе работы были изучены физико-механические и эксплуатационные свойства полученных пеностекол: средняя плотность, прочность при сжатии, водопоглощение, теплопроводность, морозостойкость и химическая устойчивость, руководствуясь соответствующими ГОСТами, ТУ, и т.д., регламентирующими методы испытаний пеностекол и стеновых материалов.

Результатом исследований стали пеностекла с физико-техническими свойствами, отраженными в Таблице 1 из которой наглядно видно влияние предварительной гидротермической обработки на среднюю плотность, а следовательно и на их теплоизолирующие свойства.

Обоснованность и достоверность основных положений и выводов работы

обусловлены объемом исследований с использованием рентгенографического, ИК-спектроскопического анализов, электронной микроскопии, а также методов математического планирования и статистической обработки результатов.

Таблица 1 – Физико-технические свойства полученных пеностекол

п/п

Свойства Ед. изм.

Показатели свойств

СБК

ВТ

ЦСП

1

Пеностекла без обработки (обжиг сразу после формования)

  Средняя плотность кг/м3 951 510
Прочность при сжатии мПа 12,1 3,4
Водопоглощение масс. % 13 12
2

Пеностекла с выдержкой в течение 12 часов в нормальных условиях

  Средняя плотность кг/м3 599 419
Прочность при сжатии мПа 8,3 2,4
Водопоглощение масс. % 14 15
3

Пеностекла с пропариванием в течение 0,5 часа при Т=100°С

  Средняя плотность кг/м3 289 343
Прочность при сжатии мПа 1,9 2,3
Водопоглощение масс. % 14 12

После проведения лабораторных исследований и получения опытных образцов инновационного продукта – пеностекла, творческий коллектив проекта не остановился на достигнутых научных результатах, а продолжил работы по коммерциализации разработки и создания промышленной технологии пеностекол. Были проведены маркетинговые исследования и анализ рынка теплоизоляционных материалов Бурятии, бизнес-планирование, проектирование технологии и подбор оборудования.

Маркетинговые исследования показали, что в исследуемом регионе для теплоизоляции преимущественно используются завозные минераловатные и -плитные изделия и вспененные синтетические материалы, такие как пенопласты, пеноизол и др. как местного производства, так и привозные из соседних регионов или импортные. Эти недорогие материалы и изделия отличаются хорошими теплоизолирующими свойствами и низкой плотностью, но являются недолговечными и опасными в пожарном отношении, особенно при использовании для утепления деревянных построек или при применении в вентилируемых фасадах.

В ходе маркетинговых исследований был проведен поиск предложений пеностекольной продукции в России и в мире. Было выяснено, что пеностекольная продукция и разработки на сегодняшний день предлагается следующими зарубежными и отечественными производителями:

  • ОАО «Гомельстекло» [6] — пеностекло по СТБ 1322-2002. Поставщик в Россию — ООО «Экострой-Сити». Средняя цена пеностекла — 10500 руб. за м3 и пенокрошки — 3100 руб. за м3;
  • Пеностекло FOAMGLASS, [7]. Поставщик в Россию — ООО «СеверСпецКомплект». Цена — 16000 руб. за м3;
  • ЗАО «Пеноситал» разработано пеностекло по ТУ № 5914-001-73893595-2005;
  • ООО НПО «Трансполимер» [8]. НИОКР по технологии пеностекла по ТУ № 5712-010-75645238-2008 марки «Стеклозит»;
  • Пеностекло китайской фирмы «ДиелНио» [9] марки «Нео Тим». Цена от 7700 руб. за м3.

Анализ конкурентной среды показал, что в современной России исследования и разработки пеностекол проводятся во многих научных учреждениях страны, но масштабного промышленного производства пока не создано.

В ходе маркетинговых исследований также была исследована сырьевая база проектируемого производства. Исследования выявили следующую ситуацию: сегодня в Бурятии добываются следующие виды минерально-сырьевых ресурсов:

  • Перлиты, витротуфы и липариты — Мухор-Талинское месторождение. Ориентировочные запасы пород – по категориям А+В+С1 – 15764 тыс. тонн, по категории С2 – 55 тыс. тонн, забалансовые запасы – 8754 тыс. тонн3;
  • Известняки, сиениты – Челутайское месторождение и карьер «Татарский ключ». Балансовые запасы — по категориям А+Б+С1 – 4214 тыс. тонн;
  • Карбонатные породы — известняки и доломиты – Грязнухинское проявление известняков. Балансовые запасы — по категориям А+Б+С1 – 114402 тыс. тонн;
  • Сиениты – Ново-Брянское месторождение. Балансовые запасы — по категориям А+Б+С1 – 17090 тыс. тонн;
  • Базальты – Цаган-Нурское месторождение. Балансовые запасы — по категориям А+Б+С1 – 617,6 тыс. тонн.

Месторождения этих сырьевых минералов активно разрабатываются в Заиграевском районе РБ, имеющем развитую транспортную инфраструктуру. С его администрацией заключено соглашение о намерениях поддержки проекта, через выделение земельного участка для размещения завода.

Очередным шагом в коммерциализации инновации явилась разработка технологии, подбор оборудования, составление инвестиционногопроекта и бизнес-плана промышленного производства пеностекла по способу, разработанному и испытанному в ходе проведения НИОКР. Реализация проекта была разбита на несколько этапов с нарастанием объемов производства и ассортимента выпускаемой продукции. В начале предполагается создание недорогого пилотного мини-производства, которое со временем будет масштабироваться и совершенствоваться.

Технологическая линия пеностекол:

  • дробильно-размольный участок (ДРУ)-предварительное измельчение и размол компонентов с целью получения тонкодисперсных порошков;
  • смесительно-формовочное отделение — сухое смешивание порошков, затворение щелочным раствором и формование сырцов;
  • термическое отделение – гидротермическая обработка сырцов, обжиг, отжиг и остужение готовых изделий;
  • участок калибровки,классификации, сортировки и упаковки готовой продукции.

Выводы

Сегодня в Бурятии сложились все условия для организации производства пеностекол.

Республика обладает запасами минерального сырья, достаточными для производства пеностекла в промышленных объемах, а также – квалифицированными научными и производственными кадрами.

На кафедре «ПСМИ» ВСГУТУ проблемами пеностекол и подготовкой высококвалифицированных кадров занимается д.т.н., проф. Дамдинова Д.Р. Под ее руководством подготовлено 5 кандидатов наук, а также ежегодно выпускаются инженеры, бакалавры и магистры в этой области строительного материаловедения.

Достигнуты договоренности в виде соглашений о намерениях: с администрацией Заиграевского района РБ о выделении земельного участка для размещения завода и с одной из ведущих строительных организаций Бурятии о сбыте продукции.

Реализация проекта позволит достичь следующих результатов:

  • производство конкурентоспособной импортозамещающей теплоизоляционной продукции для обеспечения надежной теплозащиты зданий, сооружений и конструкций в соответствии с современными требованиями по энергосбережению;
  • выпуск экологически чистой продукции, превосходящей по ряду свойств (долговечности, био- и огнестойкости) применяемые сейчас материалы;
  • утилизация стеклоотходов, в том числе — демеркуризированногостеклобоя и улучшение экологической ситуации через снижение объема накопленных ТБО;
  • cоздание новые рабочих мест и обеспечение занятости выпускников высших и средних профессиональных учебных заведений;
  • увеличение доходной части бюджетов всех уровней.

Согласно параметров бизнес-плана, себестоимость теплоизоляционной продукции завода будет равна 1930,42 руб./м3 в мини-производстве и 1370,74 руб./м3 при полноформатном производстве.

Кроме того, универсальное оборудование отрасли строительных материалов, которым предполагается оснастить завод будет производить широкий ассортимент сопутствующей продукции: сухие строительные смеси (ССС), вспученные минеральные заполнители, негашеная известь и др., что является одним из условий жизнеспособности предприятия, организуемого в рамках реализации инвестиционного проекта.

 

Список литературы

  1. Китайгородский И.И. Пеностекло / И.И. Китайгородский, Т.Н. Кешишян. – М.: Промстройиздат, 1953. – 132 с.
  2. Кешишян Т.Н. Влияние добавок кварца на физико-механические свойства пеностекла / Т.Н. Кешишян, О.А. Мусвик // Тр. Моск. хим.-технол. ин-та им. Д.И. Менделеева, 1977. – № 98. – с. 150-152.
  3. Бутт Л.М. Технология стекла / Л.М. Бутт, В.В. Полляк. – М.: Стройиздат, 1976. – 368 с.
  4. Дамдинова Д.Р. Эффективные пеностекла на основе эффузивных пород и стеклобоя/ Д.Р. Дамдинова, П.К. Хардаев, К.К. Константинова: Монография. – Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006. – 166 с.
  5. Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла / Б.К. Демидович.- Минск. – Наука и техника, 1972. – 304 с.
  6. — Сайт пеностекла FOAMGLAS®.;
  7. gomelglass.com/ru/ — Сайт ОАО «Гомельстекло»;
  8. — Сайт ООО НПО «Трансполимер»;
  9. dlnio.ru/ — Сайт Компании ДиелНио.
    ПЕНОСТЕКЛО НА ОСНОВЕ СТЕКЛОБОЯ И ВЫСОКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
    Written by: Зонхиев Марк Максимович, Дамдинова Дарима Ракшаевна, Беппле Рейнгольд Рейнгольдович
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 04/22/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)
    Available in: Ebook
Записи созданы 6767

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх