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 водородных—О-Н…О— связей.
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
- Китайгородский И.И. Пеностекло / И.И. Китайгородский, Т.Н. Кешишян. – М.: Промстройиздат, 1953. – 132 с.
- 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.
- Бутт Л.М. Технология стекла / Л.М. Бутт, В.В. Полляк. – М.: Стройиздат, 1976. – 368 с.
- 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.
- Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла / Б.К. Демидович.- Минск. – Наука и техника, 1972. – 304 с.
- — Сайт пеностекла FOAMGLAS®.;
- gomelglass.com/ru/ — Сайт ОАО «Гомельстекло»;
- — Сайт ООО НПО «Трансполимер»;
- dlnio.ru/ — Сайт Компании ДиелНио.[schema type=»book» name=»ПЕНОСТЕКЛО НА ОСНОВЕ СТЕКЛОБОЯ И ВЫСОКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД» author=»Зонхиев Марк Максимович, Дамдинова Дарима Ракшаевна, Беппле Рейнгольд Рейнгольдович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-22″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]