сотрудник
Республика Мордовия, Россия
сотрудник
Республика Мордовия, Россия
аспирант
Республика Мордовия, Россия
студент
Республика Мордовия, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Получение пеностеклокерамических строительных материалов минуя процесс высокотемпературной варки стекломассы, а также использование в качестве сырья местные горные породы, позволяющие значительно снизить стоимость конечного продукта – актуальная задача современного строительного материаловедения. Целью данной работы было изучение физико-механических и теплофизических свойств пеностеклокерамических строительных материалов, полученных за один нагрев шихты, состоящей из кремнеземсодержащей породы (трепел) и кальцинированной соды. Разработанные теплоизоляционные строительные материалы имеют среднюю плотность от 200 до 600 кг/м3, прочность при сжатии от 1,2 до 9,8 МПа, теплопроводность от 0,053 до 0,065 Вт/м °С. Исследованиями установлено рациональное соотношение компонентов в составах пеностеклокерамики на основе кремнеземсодержащей породы. При производстве вспененных материалов, скорость нагрева шихты должна варьироваться от 3 до 4,5 °С/мин, а максимальная температура нагрева от 800 до 850 °С. Разработанный материал расширит номенклатуру теплоизоляционных строительных материалов и может быть использован при строительстве объектов промышленного и гражданского назначения, в том числе АЭС, в газо- и нефтепромышленности.
пеностеклокерамика, теплоизоляционный материал, кремнеземсодержащая порода, прочность, плотность, теплопроводность
Введение. В последние годы пеностекло материалы на основе пеностекла все в большем объеме используются в строительной отрасли. Данные материалы легкие, обладают низкой теплопроводностью, достаточной эксплуатационной прочностью, не дают усадки и не изменяют геометрические размеры с течением времени под действием эксплуатационных нагрузок, выдерживают высокие температуры, являются коррозионностойкими. Все это позволяет рекомендовать данный материал в качестве утеплителя при строительстве АЭС, в газо- и нефтепромышленности, промышленном и гражданском строительстве [1–3]. Самая крупная транснациональная корпорация «Pittsburgh Corning», имеющая ряд заводов в США и Европе, является самым крупным поставщиком высококачественной теплоизоляционной продукции на основе пеностекла в Россию. С конца 90-х годов прошлого века вопрос создания производства пеностекла в России встал особенно остро, причиной этому являются суровые климатические условия, ужесточение теплотехнических требований к ограждающим конструкциям, рост цен на данный вид теплоизоляционных материалов и др. [3–6]. Именно в этот период в России возобновляется производство пеностекла на заводах: «СТЭС-Владимир» (г. Владимир), «Пеноситал» (г. Пермь), «PENOSTEK» и «SAiTAX» (Московская область) и др.
Технология производства пеностекла достаточно сложная и включает несколько этапов. Сначала этапе производят варку стекла, затем, остывшее стекло размалывают с газообразующими добавками и повторно нагревают с последующим отжигом полученного материала. Современные научные исследования в области получения строительных материалов из пеностекла имеют следующие направления: поиск способов производства пеностекла без материалоёмких форм [7–8]; низкотемпературный синтез стекломассы без применения стеклоплавильных агрегатов; вспенивание шихты, минуя процесс высокотемпературной варки стекломассы [8–14]; расширение сырьевой базы за счёт применения различных видов стёкол, стеклобоя и местных горных пород, позволяющее значительно увеличить доступность сырья и, одновременно, снизить стоимость конечного продукта [7–20] и др.
Предлагаемое нами направление научного исследования подразумевает отказ от первой стадии (варка стекла), а варку и вспенивание шихты осуществлять за один нагрев, что позволит значительно сократить технологические затраты. Кроме того, данная технология позволяет использовать в производстве дешевое сырье (диатомит, трепел, опока и т.п.), имеющееся в большом количестве в различных регионах России.
Целью данной работы являлось изучение физико-механических и теплофизических свойств пеностеклокерамических строительных материалов, полученной за один нагрев шихты, состоящей из кремнеземсодержащей породы (трепел) и кальцинированной соды.
Методология. В качестве сырья для получения пеностеклокерамики использовались:
- кремнеземсодержащая порода (трепел) месторождения близ с. Енгалычево, Дубенского района, Республики Мордовия, следующего химического состава: SiO2 – 71,00 %, CaO – 9,01 %, Al2O3 – 8,90 %, Fe2O3 – 2,86 %, K2O – 2,06 %, MgO – 1,61 %, TiO2 – 0,444 %, Na2O – 0,252 %, P2O5 – 0,171 %, SrO – 0,064 %, BaO – 0,029 %, SО3 – 0,027 %, ZrO2 – 0,017 %, V2O5 – 0,012 %, MnO – 0,012 %, Cr2O3 – 0,009 %, Rb2O – 0,010 %, CuO – 0,008 %, ZnO – 0,005 %, ППП – 3,50 % и минералогического состава: кристобалит (SiO2) – 42,1 %, гейландит ((Ca,Sr,K2,Na2)[Al2Si6O16]∙5H2O) – 17,7 %, мусковит (KAl2[AlSi3O10](OH)2) – 14,4 %, кальцит (CaCO3) – 13,9 %, кварц (SiO2) – 11,2 %, тридимит (SiO2) – 0,7 %.
- сода кальцинированная техническая первого сорта, отвечающая требованиям ГОСТ 5100-85. Химическая формула Na2CО3.
Шихту для изготовления пеностеклокерамики получали совместным помолом, высушенной до постоянной массы при t = 105 °С, вышеуказанной породы и кальцинированной соды до достижения удельной поверхности не менее 1 000 м2/кг. При выполнении исследований рассматривалась шихта с соотношением трепел/ Na2CО3 в пределах от 85/15 до 80/20. Полученная шихта засыпалась в металлическую форму, предварительно обработанную каолиновой обмазкой, и уплотнялась. Форма с шихтой устанавливалась в муфельную печь и нагревалась со скоростью от 1,5 до 4,5 °С/мин до различных температур в пределах от 750 до 950 °С с выдержкой при максимальной температуре в течение 30 мин. После остывания формы с полученным материалом вместе с печью до комнатной температуры, она разбиралась, а материал извлекался для дальнейших испытаний.
Физико-механические свойства разрабатываемого материала определялись в соответствии с ГОСТ 33949-2016.
Коэффициент теплопроводности определялся зондовым методом в соответствии с ГОСТ 30256-94.
Основная часть. На рис. 1 приведены результаты исследования по определению зависимостей изменения средней плотности и прочности при сжатии пеностеклокерамических материалов от состава, скорости нагрева и максимальной температуры нагрева шихты.
При определении зависимостей изменения средней плотности и прочности при сжатии пеностеклокерамики от состава шихты (соотношение трепел / Na2CO3 от 85/15 до 80/20), ее нагревали до температуры 850 °С со скоростью
4,5 °С/мин. Согласно полученным данным (рис. 1, а), средняя плотность пеностеклокерамики незначительно уменьшается с 600 до 570 кг/м3 при увеличении содержания в шихте кальцинированной соды с 15 до 17,5 %. Дальнейшее увеличение в шихте соды до 20 % приводит к прямопропорциональному уменьшению плотности материала до 220 кг/м3. Прочность при сжатии полученного материала от вышеуказанных факторов имеет аналогичную зависимость. При увеличении содержания в шихте Na2CO3 с 15 до 17,5 % прочность при сжатии уменьшается незначительно с 9,8 до 8,2 МПа. C увеличением количественного содержания соды до 20 %, прочность при сжатии уменьшается до 1,2 МПа.
Проведенными исследованиями установлено, что при изготовлении пеностеклокерамики на основе шихты из кремнеземсодержащей породы (трепел) и кальцинированной соды рациональное содержание последней находится в пределах от 15 до 20 %. Дальнейшее увеличение Na2CO3 приведет к значительному увеличению жидкой фазы, неоднородности структуры, а также стоимости конечного продукта.
Исследования на следующем этапе были посвящены установлению зависимостей изменения средней плотности и прочности при сжатии полученного материала от скорости нагрева шихты (рис. 1, б). С этой целью шихта, содержащая в составе 20 % кальцинированной соды, нагревалась в муфельной печи до температуры 850 °С со скоростью от 1,5 до 4,5 °С/мин с выдержкой при максимальной температуре в течение 30 минут. Согласно полученным данным, средняя плотность материала увеличивается практически прямопропорционально с 220 до 285 кг/м3 при уменьшении скорости нагрева с 4,5 до 1,5 °С/мин. Прочность при сжатии разрабатываемого материала в сухом состоянии увеличивается прямопропорционально с 1,3 до 1,5 МПа при уменьшении скорости нагрева с 4,5 до 3 °С/мин. Дальнейшее уменьшение скорости нагрева до 1,5 °С/мин приводит к увеличению прочности при сжатии вспененного материала до 1,9 МПа.
Согласно проведенным исследованиям установлено, что при производстве пеностеклокерамики на основе шихты из кремнеземсодержащей породы (трепел) и кальцинированной соды скорость ее нагрева должна варьироваться от 3 до 4,5 °С/мин. Увеличение скорости нагрева шихты более 4,5 °С/мин приводит к увеличению неоднородности структуры конечного продукта.
а
б
в
Рис. 1. Влияние состава (а), скорости нагрева (б) и максимальной температуры нагрева (в) шихты на среднюю плотность и прочность при сжатии пеностеклокерамики
Важными являются исследования, направленные на установление зависимостей изменения средней плотности и прочности при сжатии разрабатываемых материалов от максимальной температуры нагрева шихты. С этой целью шихта с соотношением трепел / Na2CO3 равном 80/20 нагревалась в муфельной печи со скоростью 4 °С/мин до температуры от 750 до 900 °С с выдержкой при максимальной температуре 30 минут. Согласно полученным данным (рис. 1, в), средняя плотность полученного материала уменьшается прямопропорционально с 305 до 200 кг/м3 при увеличении максимальной температуры нагрева шихты с 750 до 820 °С. Дальнейшее увеличении температуры нагрева
до 900 °С приводит к увеличению средней плотности до 260 кг/м3. Данный эффект объясняется увеличением жидкой фазы в шихте и, как следствие, меньшей устойчивостью пены, что приводит к ее оседанию. Также необходимо отметить увеличение пор в материале при повышении максимальной температуры нагрева шихты до
900 °С. Прочность при сжатии полученного материала в сухом состоянии уменьшается
с 1,8 до 1,2 МПа при увеличении максимальной температуры нагрева шихты с 750 до 900 °С.
Проведенными исследованиями установлено, что при производстве пеностеклокерамики на основе шихты из кремнеземсодержащей породы (трепел) и кальцинированной соды максимальная температура ее нагрева должна варьироваться в пределах от 800 до 850 °С.
На рис. 2 представлены результаты исследований по изучению зависимостей изменения теплопроводности пеностеклокерамических материалов от максимальной температуры и скорости нагрева шихты. С этой целью шихта с соотношением трепел / Na2CO3 равном 80/20 нагревалась в муфельной печи со скоростью от 1,5 до
4,5 °С/мин до максимальной температуры от 750 до 900 °С с выдержкой при данной температуре в течение 30 минут и последующим остыванием в форме вместе с печью до комнатной температуры.
Согласно полученным данным (рис. 2, а), теплопроводность разрабатываемого материала уменьшается прямопропорционально с 0,063 до 0,053 Вт/м∙°С при увеличении максимальной температуры нагрева шихты (скорость нагрева равна 4 °С/мин) с 750 °С до 820 °С. При дальнейшем увеличении максимальной температуры до 900 °С теплопроводность увеличивается до 0,061 Вт/м∙°С.
Согласно данным рисунка 2, б, теплопроводность вспененного материала уменьшается прямопропорционально с 0,068 Вт/м °С до
0,053 Вт/м∙°С при увеличении скорости нагрева шихты (максимальная температура нагрева равна 820 °С) с 1,5 до 3°С/мин. Дальнейшее увеличение скорости нагрева шихты до 4,5 °С/мин не оказывает существенного влияния на изменение теплопроводности полученного материала.
а б
Рис. 2. Зависимости изменения теплопроводности полученного материала от максимальной температуры
(а) и скорости нагрева (б) шихты
Установлено, что для получения наименьшей теплопроводности разрабатываемого материала скорость нагрева шихты должна варьироваться от 3 до 4,5 °С/мин, а максимальная температура нагрева от 800 до 850 °С.
Выводы.
1. Разработаны теплоизоляционные строительные материалы на основе трепела и кальцинированной соды, получаемые за один нагрев шихты, плотностью от 200 до 600 кг/м3, прочностью при сжатии от 1,2 до 9,8 МПа, коэффициентом теплопроводности от 0,053 до 0,065 Вт/м °С.
2. Установлено, что при производстве пеностеклокерамики на основе шихты из кремнеземсодержащей породы (представленный трепел) и кальцинированной соды рациональное содержание последней должно находится в пределах от 15 до 20 %, скорость нагрева шихты должна варьироваться от 3 до 4,5 °С/мин, а максимальная температура нагрева от 800 до
850 °С.
Источник финансирования. Грант Российского научного фонда (проект № 18-73-00213).
1. Manevich V.E., Subbotin K.Yu. Foam glass and problems of energy conservation // Glass and Ceramics (English translation of Steklo i Keramika). 2008. Vol. 65. №. 3-4. Pp. 105-108. DOI:https://doi.org/10.1007/s10717-008-9026-1.
2. Шелковникова Т.И., Баранов Е.В., Пряженцева Е.А. Стратегический анализ и оценка рыночных перспектив материалов и изделий из пеностекла // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. № 6. С. 15-20. DOI:https://doi.org/10.12737/article_5b115a5f648ca5.27747964.
3. Минько Н.И., Калатози В.В. Использование стеклобоя в технологии материалов строительного назначения // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №1. С. 82-88.DOI:https://doi.org/10.12737/article_5a5dbf09319de9.71561256.
4. Erofeev V., Korotaev S., Bulgakov A., Tretiakov I., Rodin A. Getting Fired Material with Vitreous Binder Using Frame Technology // Procedia Engineering. 2016. 164. Pp. 166-171. DOI:https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.606.
5. Korniyenko S.V., Vatin N.I., Gorshkov A.S. Thermophysical field testing of residential buildings made of autoclaved aerated concrete blocks // Magazine of Civil Engineering. 2016. Vol. 64. №. 4. Pp. 10-25. DOI:https://doi.org/10.5862/MCE.64.2.
6. Ерофеев В.Т., Бредихин В.В., Богатов А.Д., Богатова С.Н. Ячеистые и поризованные бетоны на основе боя стекла // Известия Юго-Западного государственного университета. 2013. № 1 (46). С. 104-111.
7. Иванов К.С., Радаев С.С., Селезнева О.И. Диатомиты в технологии гранулированного пеностекла // Стекло и керамика. 2014. № 5. С. 15-19.
8. Vaisman I., Ketov A., Ketov I. Cellular glass obtained from non-powder preforms by foaming with steam // Ceramics International. 2016. Vol. 42. №. 14. Pp. 15261-15268. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.06.165.
9. Казанцева Л.К., Верещагин В.И., Овчаренко Г.И. Вспененные стеклокерамические теплоизоляционные материалы из природного сырья // Строительные материалы. 2001. № 4. С. 33-35.
10. Manevich V.E., Subbotin R.K., Nikiforov E.A., Senik N.A., Meshkov A.V. Diatomite - Siliceous material for the glass industry // Glass and Ceramics (English translation of Steklo i Keramika). 2012. Vol. 69. №. 5-6. Pp. 168-172. DOI:https://doi.org/10.1007/s10717-012-9438-9.
11. Qu Y.-N., Xu J., Su Z.-G., Ma N., Zhang X.-Y., Xi X.-Q., Yang J.-L. Lightweight and high-strength glass foams prepared by a novel green spheres hollowing technique // Ceramics International. 2016. Vol. 42. №. 2. Pp. 2370-2377. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2015.10.034
12. Кетов А.А. Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 22-24.
13. Орлов А.Д. Оптимизированная одностадийная технология гранулированного пеностекла на основе низкотемпературного синтеза стеклофазы // Строительные материалы. 2015. № 1. С. 24-26.
14. Сеник Н.А., Мешков А.В., Виницкий А.Л., Вакалова Т.В., Верещагин В.И. Получение высокоэффективного теплоизоляционного материала на основе диатомита путем низкотемпературного вспенивания // Техника и технология силикатов. 2012. Т. 19. № 4. С. 6-12.
15. Kazantseva L.K. Particulars of foam glass manufacture from zeolite-alkali batch // Glass and Ceramics (English translation of Steklo i Keramika). 2013. Vol. 70. №. 7-8. Pp. 277-281. DOI:https://doi.org/10.1007/s10717-013-9560-3.
16. Иваненко В.Н. Строительные материалы и изделия из кремнистых пород. Киев: Будиiвельник, 1978. 120 с.
17. Никитин А.И., Стороженко Г.И., Казанцева Л.К., Верещагин В.И. Теплоизоляционные материалы и изделия на основе трепелов Потанинского месторождения // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 34-37.
18. Fernandes H.R., Tulyaganov D.U., Ferreira J.M.F. Preparation and characterization of foams from sheet glass and fly ash using carbonates as foaming agents // Ceramics International. 2009. Vol. 35. №. 1. Pp. 229-235. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2007.10.019.
19. Rincón A., Giacomello G., Pasetto M., Bernardo E. Novel ‘inorganic gel casting’ process for the manufacturing of glass foams // Journal of the European Ceramic Society. 2017. Vol. 37. No.5. Pp. 2227-2234. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.01.012.
20. Zhang Q., He F., Shu H., Qiao Y., Mei S., Jin M., Xie J. Preparation of high strength glass ceramic foams from waste cathode ray tube and germanium tailings // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 111. Pp. 105-110. DOI:https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.01.036.
