Введение. Теплоизоляционные материалы на основе пенополистирола (ППС) широко используются в различных отраслях народного хозяйства, что связано с рядом уникальных свойств этих материалов.
Прежде всего, ППС обладает очень низкой теплопроводностью. Коэффициент теплопроводности ППС составляет 0,028–0,034 Вт/м∙К. Для сравнения, у керамзитобетона он равен
0,58 Вт/м∙К, гипсокартона – 0,21 Вт/м∙К, силикатного кирпича – 0,87 Вт/м∙К, дерева – 0,18 Вт/м∙К. На ППС не оказывают воздействия строительные растворы на основе неорганических вяжущих (гипсовых, известковых, портландцементных) и битумные смолы. Он устойчив к действию кислот и щелочей. Пенополистирольные плиты не подвержены биоразрушению плесневыми грибами и другими микроорганизмами. ППС не пылит, в отличие от минеральной ваты, и имеет низкое водопоглощение (0,4-4,0 %).
Вместе с тем ППС имеет и ряд недостатков. Основным, из которых является окислительная деструкция особенно при повышенных температурах. Продолжительность этого процесса от 1 до 20 лет. При этом могут образовываться такие вещества как: стирол, формальдегид, ксилол, бензол, толуол, метиловый спирт, ацетофенон, CO, CO2. Особенно вреден ППС низкой плотности (<40 кг/мз). Рабочие температуры, при которых ППС сохраняет свои свойства, от (-50 оС) до 75 оС. Выше 126оС он начинает разрушаться. Кроме того, на ППС оказывает разрушающее действие ультрафиолетовое излучение солнечного света [1].
В связи с этим, актуальным является поиск способов защиты ППС материалов от внешнего воздействия. Одним из таких способов может быть получение композиционных материалов на основе ППС и минеральных неорганических вяжущих – пенополистирол бетонов. Предлагается получение гипсопенополистирольных композиций.
Выбор гипсовых вяжущих обусловлен, прежде всего, их свойствами, такими как: невысокая энергоемкость производства, высокие санитарно-гигиенические и эксплуатационные свойства, огнестойкость, хорошая обрабатываемость, а также отсутствие щелочесиликатного взаимодействия, проявляющегося при использовании в качестве вяжущего портландцемента.
Научная гипотеза работы. Пенополистирол имеет низкую насыпную плотность (15-50 кг/м3) и представлен сферическими гранулами различного размера. В основном он состоит из воздуха (98 %) и полистирола (2 %). Гипсовые вяжущие вещества позволяют создать вокруг гранул ППС плотные шарообразные оболочки прочно связанные друг с другом. Плотность упаковки оболочек можно регулировать фракционным составом ППС. В результате получается структура близкая к материалам поризованным газообразными веществами и обеспечивается низкая плотность и теплопроводность при достаточной прочности.
Методология. В качестве вяжущих веществ при получении теплоизоляционных материалов на основе ППС, выбраны гипсовые вяжущие – строительный гипс марки Г-5 ЗАО «Хабезский гипсовый завод», ангидритовое вяжущее, многофазовые гипсовые вяжущие (МГВ). Величина рН водных суспензий строительного гипса равна 10,54. Ангидритовое вяжущее получали на основе термического ангидрита (CaSO4 II) и добавки сульфата калия (K2SO4) в качестве активатора твердения. Для получения термического CaSO4 II гипс обжигали при 650 – 700 оС в течение 3 час. Величина рН его водных суспензий равна 11,09. МГВ готовили из термического CaSO4 II и гипса с количеством гидратной воды 3,5 % (Г3,5). Массовое соотношение CaSO4 II и Г3,5 составляло 70:30.
Дополнительно в гипсовые вяжущие вводили тонкомолотые отходы тарного стеклобоя (Na-СТБ) и отходы флинтов (K-СТБ). Химический состав отходов СТБ представлен в табл.1. Упаковочный ППС предварительно измельчали до отдельных гранул. В работе использованы отходы ППС с разным фракционным составом (табл. 2).
Таблица 1
Химический состав стекол
|
Вид стекла |
Химический состав, мас. % |
|||||||||
|
SiO2 |
Al2O3 |
Na2O |
K2O |
CaO |
MgO |
PbO |
CeO2 |
Rh2O3 |
ZnO |
|
|
Na-СТБ |
70,0 |
2,0 |
17,0 |
– |
8,0 |
2,0 |
– |
– |
– |
– |
|
K-СТБ |
64,1 |
– |
2,25 |
14,8 |
0,309 |
– |
15,9 |
0,303 |
0,632 |
0,809 |
Таблица 2
Фракционный состав отходов ППС
|
Вид отходов ППС |
Массовые доли фракций с размером гранул, мм |
|||
|
0,0–2,5 |
2,5–5,0 |
5,0–10,0 |
>10,0 |
|
|
ППС-1 |
1 |
88 |
10 |
1 |
|
ППС-2 |
1 |
97 |
2 |
0 |
Теплопроводность полученных материалов измеряли на приборе ИТС-1 методом стационарного теплового потока в соответствии с ГОСТ 7076-99.
При изготовлении образцов компоненты смешивались в следующей последовательности. Отвешенное количество отходов ППС помещалось в фарфоровую чашку. Туда же вводили добавку тонкомолотых отходов СТБ и отмеренное количество воды. Смесь тщательно перемешивали. При этом гранулы ППС смачивались водой и покрывались частицами тонкомолотых СТБ. Далее при постоянном перемешивании в смесь вводили вяжущее. Укладка смеси в формы размером 3,5х3,5х3,5 см, проводилась трамбованием. Соотношение вяжущего и отходов ППС в смеси изменяли от 18,5 до 44,5 табл. 3. По предварительно полученным результатам такое соотношение компонентов позволяет получить теплоизоляционный материал с плотностью < 600 кг/м3. Перед испытанием образцы высушивали до постоянного веса при 65 оС. В качестве выходных параметров выбраны механическая прочность на сжатие (Rсж.), плотность образцов (ρ) и эффективная теплопроводности (λeff).
Таблица 3
Составы исходных композиций
|
№ состава |
Состав композиции, г |
Соотношение по массе вяжущее/ППС |
В/Г |
|||
|
Вяжущее |
ППС-1 |
Na-СТБ |
Н2О |
|||
|
1. |
50 |
2,7 |
2,5 |
33 |
18,5 |
0,6 |
|
2. |
60 |
2,7 |
3,0 |
40 |
22,2 |
0,6 |
|
3. |
80 |
2,7 |
4,0 |
52 |
29,6 |
0,6 |
|
4. |
100 |
2,7 |
5,0 |
65 |
37,0 |
0,6 |
|
5. |
120 |
2,7 |
6,0 |
77 |
44,4 |
0,6 |
Основная часть. Технология получения ППС бетонов предполагает предварительное смачивание поверхности гранул водой. Для интенсификации этого процесса в воду вводят вещества, изменяющие ее поверхностное натяжение или модифицирующие поверхность ППС. В представленной работе в качестве таких веществ предложены тонкомолотые отходы тарного стеклобоя и «флинтов». Стекло это твердое, аморфное и хрупкое вещество. При подготовке его к переработке (дробление, помол) образуются значительные количества мелкой фракции. Крупная фракция используется, как заполнитель и наполнитель в композиционных материалах. Мелкая же фракция, как правило, не используется или используется незначительно. Нами выполнены исследования по применению мелкой фракции СТБ в качестве компонента композиционных гипсовых вяжущих. Удельная поверхность (Sуд.) отходов СТБ – 1150 м2/кг. Установлено [2,3], что физико-механические характеристики строительного гипса улучшаются при введении в его состав 2,0–5,0 мас. % отходов СТБ. Тонкомолотые СТБ уменьшают В/Г, увеличивают сроки схватывания, и прочность гипса улучшают формуемость композиции. С увеличением содержания тонкомолотых СТБ в строительном гипсе его В/Г уменьшается линейно, в отличие от других добавок (зола гидроудаления, доменный шлак, бой керамзита, бой кирпича) [4], увеличивающих его.
Тонкомолотые СТБ, введенные в строительный гипс, увеличивают рН его суспензий. Зависимость эта носит экспоненциальный характер. Особенно резкий рост рН среды с 8,0 до 11,5 наблюдается при количестве добавки СТБ 3,5 – 25,0 мас.%. При количестве добавки > 25 % величина рН стабилизируется. Щелочная среда способствует увеличению сроков схватывания строительного гипса, на что указывает анализ зависимостей изменения рН суспензий строительного гипса с добавками СТБ [5]. Так, у бездобавочного строительного гипса конец схватывания наступает через 15 мин., а у вяжущего с добавкой СТБ – через 27 мин. Тонкомолотые СТБ изменяют прочностные характеристики строительного гипса. Без существенного снижения прочности в строительный гипс можно вводить до 20 % СТБ.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о двояком влиянии тонкомолотых СТБ на свойства строительного гипса. Небольшие количества (3-7 %) СТБ увеличивают сроки схватывания строительного гипса и его прочностные свойства. При количестве добавки СТБ 10-20 мас.%, за счет оптимизации структуры материала, прочность также увеличивается. Вяжущее с добавкой СТБ 15 мас. % имеет большую плотность (1,285 г/смз), чем холостые пробы (ρ=1,150 г/смз), что говорит о более плотной упаковке его структурных единиц.
Рис. 1. Влияние количество добавки Na-СТБ на свойства теплоизоляционных материалов
Частички стеклобоя, состоящие преимущественно из диоксида кремния, выступают в роли наполнителя, уплотняющего структуру материала, а также в роли подложки, на которой формируются кристаллы гипса. Тонкомолотые стеклоотходы структурируют твердеющую гипсовую систему и выступают в качестве центров кристаллизации. В материалы на основе строительного гипса и ППС можно вводить до 5 % тонкомолотых отходов Na-СТБ (рис.1).
Для изучения влияния состава отходов стеклобоя на свойства гипсопенополистирольных композиций выбраны два их вида. Одни – с повышенным количеством Na+, другие – с повышенным количеством K+ и Pb2+. Полученные результаты рис.2 показывают, что состав СТБ практически не влияет на свойства гипсопенополистирольных материалов. На наш взгляд, это связано с одинаковой величиной рН их водных суспензий, которая находится в пределах 11,5. Щелочную среду создают продукты гидролиза силикатов щелочных и щелочноземельных металлов, входящих в состав стекла. Образцы, приготовленные без добавок тонкомолотых СТБ, показали меньшее значение прочности и плотности, особенно при соотношении Г-5/ППС > 29,6.
Рис. 2. Влияние состава СТБ на свойства теплоизоляционных материалов
Кроме строительного гипса в работе в качестве вяжущих использован ангидритовый цемент и МГВ. Кроме того, вяжущее получали на основе CaSO4 II и тонкомолотых СТБ. Известно [3], что тонкомолотые СТБ выступают в качестве активаторов твердения нерастворимого ангидрита. Дополнительно в ангидритовый цемент и МГВ также вводили тонкомолотые СТБ.
Проведенные исследования показали, что теплоизоляционный материал на основе ППС и ангидрита, активированного тонкомолотыми СТБ, получить нельзя. В присутствии ППС тонкомолотые СТБ термический CaSO4 II активируют плохо. Возможно, нарушается кислотно-основной баланс системы. Отмечено, что вторичный ППС снижает кислотность дистиллированной воды с 5,9 до 7,0.
Ангидритовое вяжущее на основе термического CaSO4 II, активированного K2SO4, можно использовать для получения теплоизоляционных материалов (рис. 3). Вмести с тем, из-за сильно щелочной среды термического ангидрита необходимо предусмотреть возможность снижения рН среды вяжущего. Введение тонкомолотых СТО в такие системы ухудшает характеристики материалов.
Рис. 3. Влияние природы вяжущего на свойства теплоизоляционного материала
Теплотехнические свойства материалов изучены для составов гипсопенополистиролбетонов на основе строительного гипса, ангидритового вяжущего, МГВ и тонкомолотых СТО (5 мас. %). Для сравнения были изготовлены образцы на основе строительного гипса и ангидритового вяжущего. Результаты исследований представлены а табл. 4.
Таблица 4
Характеристики теплоизоляционных материалов
|
№. п/п |
Состав исходных композиций |
Характеристики полученного материала |
||
|
Rсж., МПа |
ρ кг/м3 |
λeff, Вт/м∙К |
||
|
1. |
Строительный гипс* |
0,60 |
1157 |
0,2333 |
|
2. |
Строительный гипс + ППС* |
1,03 |
510 |
- |
|
3. |
Строительный гипс + ППС+ Na-СТО* |
1,26 |
558 |
0,1074 |
|
4. |
Ангидритовый цемент** |
32,00 |
1800 |
0,2399 |
|
5. |
Ангидритовый цемент + ППС** |
0,72 |
510 |
- |
|
6. |
Ангидритовый цемент + ППС+ Na-СТО** |
0,48 |
551 |
0,1519 |
|
7. |
Многофазовое гипсовое вяжущее (МГВ)** |
25,00 |
1501 |
- |
|
8. |
МГВ + ППС+ Na-СТО** |
0,97 |
510 |
0,1576 |
* – Rсж через 2 сут; ** – Rсж через 7 сут
Из полученных данных следует, что наименьшую теплопроводность (0,1074 Вт/м∙К) имеет материал на основе строительного гипса. Теплопроводность материалов на основе ангидритового вяжущего и многофазового гипсового вяжущего выше (0,1519-0,1576 Вт/м∙К). Необходимо отметить, что теплопроводности материалов на основе чистого строительного гипса и ангидритового вяжущего отличаются незначительно (0,2333-0,2399 Вт/м∙К). Причину этого мы видим в неполной гидратации ангидрита, в то время, как строительный гипс гидратируется полностью.
Выводы. Таким образом, на основе строительного гипса, отходов упаковочного пенополистирола и тонкомолотых отходов тарного стеклобоя получен теплоизоляционный материал, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 16381-77, со следующими характеристиками: Rсж. – 0,72–1,26 МПа; плотность материала – 440–
550 кг/мз и коэффициент теплопроводности 0,1074 Вт/м∙К.
