Белгородская область, Россия
Белгородский университет кооперации, экономики и права
Старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова (филиал) Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
Белгород, Белгородская область, Россия
Россия
В статье представлена последовательная схема разработки состава композита, начиная с анализа сырья и заканчивая проверкой сформулированных принципов, выбрана матрица с содержанием от 70–85 мас. % стекольного боя. Одним из условий эксперимента было низкотемпературное спекание компонентов композита при температуре близкой к характеристической температуре Литтлтона стекла. Варьируя состав матрицы, состав и дисперсность наполнителей, их соотношение, применяя специальные малые добавки, можно получить широкий спектр облицовочных материалов.
Стекольный бой, облицовочный стеклокерамический материал, глина, матрица, дисперстность, апробация
В настоящее время в связи с возросшей потребностью решения экологических проблем, экономии топливно-энергетических и природных сырьевых ресурсов в строительном материаловедении интенсивно и успешно развиваются исследования по созданию композиционных материалов, в состав которых входят отходы техносферы. Использование вторичного стекольного боя, извлекаемого из промышленных и бытовых твердых отходов в количестве от 8 до 10 %, уже стало нормой в ряде стран и, в большинстве случаев, финансируется государством [1].
Из порошка стекольного боя с газообразователями спеканием при 800–900 °С получают один из наиболее эффективных теплоизоляционных материалов – пеностекло. В смеси с пластичными глинами стекольный бой может служить основным компонентом керамических масс. Битое стекло применяют как декоративный материал в цветных штукатурках, молотые стекольные отходы можно использовать как компонент глазурей и т.п. [2, 3].
Перечисленные примеры доказывают, что стекольные отходы – ценное сырье для производства строительных материалов, потенциал которого на сегодняшний день недостаточно реализован. В связи с этим постановка новых научно-исследовательских и технологических работ в данном направлении – задача актуальная и экономически эффективная.
Цель данной научно-исследовательской работы – разработка состава и энергосберегающей технологии стеклокерамического композита для строительства (облицовочные плитки) на основе смешанного невозвратного вторичного стекольного боя.
Смешанный вторичный стеклобой используется в композите в мелкодробленом виде как наполнитель, а в тонкомолотом состоянии входит в состав матрицы (плавень), при этом общее его содержание в материале достигает
85 мас. %. [4].
Вторичные стеклоотходы представляют собой смесь боя стеклянных бутылок и банок (бесцветных, зеленых, коричневых) и строительного (преимущественно листового) стекла. Следует отметить, что, несмотря на эксплуатационные различия, перечисленные стекла имеют весьма близкие химические составы, мас. %: 69…73 SiO2; 1…4 Al2O3; 7…9,5 CaO; 2…4,5 MgO; 13,5…14,5 Na2O; 0,5…0,7 K2O; 0,2…0,5 SO3. Очевидно, что вариативные химические составы стекол различных производителей, должны обеспечивать строгое выполнение технических условий, прописанных в соответствующих нормативных документах, то есть должны иметь высокую сходимость механических и физико-химических свойств. Многочисленными расчетами, выполненными для различных составов тарных и листовых стекол, установлены пределы варьирования их свойств: плотность,
r, кг/м3 – 2480…2520; водоустойчивость, мл 0,01н HCl – 0,65…0,90; термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР), a, К-1 – (84…87)·10-7; теплопроводность, l, Вт/(м·К) – 0,96…0,97; удельная теплоемкость, с, кДж/(кг·К) – 0,850…0,855; температура Литтлтона, ТЛ, °С – 737…746; температура стеклования, Tg – 543…555.
Высокая степень сходимости технических свойств и технологических характеристик стекол определяет возможность и эффективность использования в композите смешанного стеклобоя любого состава без корректировки температурно-временных параметров технологии.
Облицовочный материал получали посредством полусухого прессования смеси стеклогранулята и матрицы и последующего спекания материалов при обжиге.
Матрице в проектируемом материале отводились следующие функции:
-
- обеспечить возможность изготовления плиток путем прессования и их сохранность до обжига;
- связать за счет низкотемпературного спекания воедино гранулы наполнителя, заполняя объем и создавая монолитный материал;
- защитить наполнитель и придать поверхности материала декоративный внешний вид;
- обеспечить равномерное восприятие материалом внешних нагрузок: растяжения, сжатия, сдвига, изгиба и др.;
- за счет пластичности обеспечить релаксацию напряжений, возникающих как в процессе изготовления, так и при эксплуатации композита.
Состав матрицы подбирали в системе «глина (пластичный компонент) – молотый стеклобой (плавень)», исследуя композиции компонентов от 90/10 до 10/90 через 20 %. Использована местная Нечаевская глина: легкоплавкая, средне пластичная, малочувствительная к сушке, дающая при обжиге терракотовый цвет черепка. Дисперсность порошка стеклобоя соответствовала просеву сквозь сито 70 мкм.
По результатам эксперимента рекомендовано в качестве матрицы применять смеси, содержащие от 70 до 85 мас. % стекольного боя, из которых полусухим прессованием возможно сформовать достаточно прочные сырцовые плитки с хорошо оформленными гранями и ребрами, спекающиеся уже при 700…750 °С в плотный и прочный стеклокерамический материал с водопоглощением менее 4 %.
Дисперсность гранул наполнителя подбирали, исходя из принципа соразмерности – соответствия размерам изделия, а для облицовочных плит – толщине. При опытной апробации технологии облицовочных 50´50´10 мм применяли гранулы стеклобоя-наполнителя размером 1,25…3,15 мм, соблюдая соотношение «максимальный размер наполнителя/толщина изделия» не более 0,3, что рекомендовано, в частности, авторами [5, 6], изучавшими закономерности формирования структуры и прогнозирования свойств строительной керамики из композиций глин и непластичного зернистого сырья.
Насыпная масса стеклогранулята составляла 1450…1500 кг/м3, засыпанный в формы гранулят спекался при 750 °С с образованием каркаса объемной массой 1680…1800 кг/м3, что соответствует уровню пористости (П) 28…33 %:
.
Поиск нормированных составов композитов выполняли в трехкомпонентной системе путем варьирования соотношений между компонентами (рис. 1):
- матрица «глина/стеклобой – 20/80» от 10 до 40 мас. %;
- стеклогранулят-наполнитель фракции 1,25…3,15 от 50 до 80 мас. %;
- кварцевый песок марки ВС-050 фракции 0,1…0,8 мм от 0 до 30 мас. %.
|
5 |
|
10 |
|
11 |
|
12 |
|
Матрица |
|
Песок |
|
Стеклогранулят |
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
6 |
|
7 |
|
8 |
|
9 |
|
100 |
|
60 |
|
60 |
Рис. 1. Расположение составов экспериментальных композиций в трехкомпонентной системе
Из подготовленных полусухих смесей (всего 12 составов) были отпрессованы плитки размером 50´50´10 мм при давлении 20 МПа, которые обожгли при 750 °С в течение 0,5 ч и подвергли испытаниям: определены изменения линейных размеров в процессе обжига (расширение указано со знаком «+», усадка «-»); кажущаяся плотность; водопоглощение, прочность на сжатие (табл. 1).
Таблица 1
Свойства облицовочных композитов
|
Нмер соства |
Изменение линейных размеров, % |
Водопоглощение,% |
Предел прочности на сжатие, МПа |
|
1 |
-2,75 |
2,42 |
21,5 |
|
2 |
-3,50 |
1,27 |
25,2 |
|
3 |
1,50 |
5,92 |
10,8 |
|
4 |
-1,75 |
1,87 |
20,7 |
|
5 |
-4,70 |
0,54 |
19,7 |
|
6 |
2,75 |
6,33 |
5,9 |
|
7 |
0,00 |
4,67 |
11,2 |
|
8 |
-1,75 |
1,98 |
18,6 |
|
9 |
-2,50 |
1,52 |
21,2 |
|
10 |
1,50 |
8,00 |
4,8 |
|
11 |
1,00 |
5,63 |
8,4 |
|
12 |
-1,75 |
1,37 |
16,2 |
Одним из условий эксперимента было низкотемпературное спекание компонентов композита при температуре близкой к характеристической температуре Литтлтона стекла. Предполагалось, что соблюдение этого условия позволит сохранить форму гранул стекла-наполнителя, обеспечить при спекании образование жесткого пространственного каркаса, снизить усадочные деформации. В лабораторной муфельной печи был реализован следующий режим обжига плиток:
-
- нагрев до температуры обжига (750 °С) проводили с умеренной скоростью
5…7 град/мин, во избежание значительных температурных градиентов и механических напряжений на границах раздела фаз и исключения возможности разрушения изделий до начала процесса спекания;
- нагрев до температуры обжига (750 °С) проводили с умеренной скоростью
-
- длительность выдержки при максимальной температуре определяли степенью достижения желаемого эффекта: степени спекания, качества огневой полировки поверхности, сохранения формы изделия и т.д., не превышая времени 40 мин;
-
- далее интенсивно охлаждали плитки до температуры отжига (~550 °С), чтобы закрепить достигнутые на этапе спекания результаты;
-
- отжиг стеклокерамического композита в интервале температур 550…400 °С проводили при скорости охлаждения около 10 град/мин;
-
- охлаждали плитки до комнатной температуры со скоростью, учитывающей размеры, толщину изделий и конструктивные особенности печи.
Анализ нормируемых показателей свойств декоративно-отделочных плиточных строительных материалов, таких как стеклокремнезит, смальта, коврово-мозаичные плитки, стеклокерамит, керамические фасадные плитки и др., обусловил выбор в качестве критериев оценки разрабатываемых составов композитов следующие:
- изменение линейных размеров плиток при обжиге (расширение или усадка) не должно превышать 2 %, что обеспечит стабильность размеров и формы образцов и снизит вероятность возникновения напряжений и дефектов;
- водопоглощение композитов, рекомендуемых к использованию для наружной облицовки зданий, от 2 до 7 % (по аналогии с фасадными керамическими плитками) позволит эффективно противостоять внешним воздействиям;
- прочность композитов на сжатие не менее 15 МПа обеспечит эксплуатационную надежность и долговечность облицовки.
Все перечисленные требования отразили на диаграмме, выделив области удовлетворительных составов по отдельным критериям и определив путем их наложения составы, удовлетворяющие одновременно трем критериям, мас. %: стеклогранулят – 50…80; матрица – 10…35; песок – 7…17. (рис. 2).
Следует отметить, что найденные соотношения компонентов в облицовочном композите являются в определенной мере условными, то есть отвечают заданным параметрам технологии: определенному типу глины, типу и гранулометрии наполнителя, температуре обжига. Вполне естественно, что изменение технологических условий, например, применение специальных малых добавок к матрице (пигменты, плавни, пластификаторы), использование более пластичной глины, варьирование вида стекольного боя (бой посуды, энергоэффективных ламп, цветной стеклобой) и т.п., приведет к корректировке области нормированных составов композита и к расширению спектра его декоративно-эксплуатационных характеристик.
|
5 |
|
10 |
|
11 |
|
12 |
|
Матрица |
|
Песок |
|
Стеклогранулят |
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
6 |
|
7 |
|
8 |
|
9 |
|
100 |
|
60 |
|
60 |
Рис. 2. Схема определения области составов эффективных облицовочных стеклокерамических композитов
В рекомендуемой области произвольным образом были выбраны несколько составов, приготовлены полусухие смеси, из которых при давлении 20 МПа отпрессованы плитки размером 50´50´(7…8) мм и обожжены при температуре 750°С в течение 0,5 ч.
Сырцовые плитки имели удовлетворительную прочность, сохраняя целостность формы при переносе плиток и загрузке их в печь. Обожженные композиты имели правильную форму, четкие неоплавленные грани и ребра, ровную слегка шероховатую поверхность (рис. 3).
Линейная усадка не превышала 2 %, кажущаяся плотность материалов составляла 2000…2100 кг/м3, водопоглощение от 2 до 4 %, прочность на сжатие 17…22 МПа, прочность при изгибе 10…13 МПа.
Для облицовочных материалов важной эксплуатационной характеристикой является декоративный вид: цвет и фактура поверхности, блеск или матовость, гладкость или шероховатость, степень имитации природных облицовочных материалов и т.п. Некоторые приемы декорирования поверхности плиток: окрашивание матрицы композита пигментами (плитки 3, 4, 5), насыщение поверхностного слоя стеклогранулятом (6, 8), эмалирование поверхности (1, 2), эмалирование с присыпкой цветным стеклогранулятом (7, 9, 10), были апробированы и представлены на рис. 4.
Все представленные приемы декорирования не требуют проведения дополнительных технологических операций и реализуются в процессе формования плиток.
Рис. 3. Внешний вид плиток облицовочного
стеклокерамического композита на основе
стекольного боя
|
1 |
|
2 |
|
3 |
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
7 |
|
8 |
|
9 |
|
10 |
Рис. 4. Декорированные стеклокерамические плитки
Таким образом, на основе невозвратного стекольного боя (до 85 % в составе материала), глины и кварцевого песка разработана базовая основа облицовочного стеклокерамического композита. Правильно подобранное сочетание разнородных компонентов обеспечило создание плотной и прочной композитной структуры материала при сравнительно невысокой температуре обжига – 750 °С. Варьируя состав матрицы, состав и дисперсность наполнителей, их соотношение, применяя специальные малые добавки и т.п., можно получить широкий спектр облицовочных материалов с требуемым набором свойств.
Широки и многообразны возможности декорирования разработанного базового стеклокерамического композита, которые, по нашему мнению, могут быть предложены и реализованы в процессе специальных научно-практических исследований и экспериментов.
1. Лазько Е.А., Минько Н.И., Бессмертный В.С., Лазько Современные тенденции сбора и переработки стекольного боя // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011. №2. С. 109-112.
2. Минько Н.И., Болотин В.Н., Жерновая Н.Ф. Технологические, энергетические и экологические аспекты сбора и использования стеклобоя//Стекло и керамика. 1999. №5. С. 3-5.
3. Павлушкина Т.К., Кисиленко Н.Г. Использование стекольного боя в производстве строительных материалов // Стекло и керамика. 2011. №5. С. 27-34.
4. Бессмертный В.С., Дорохова Е.С., Жерновой Ф.Е., Изотова И.А. Методология разработки состава и прогнозирования свойств композита на основе стекольного боя // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2015. №3. С. 130-134.
5. Шильцина А.Д., Селиванов В.М. Керамические плитки из зернистого техногенного сырья // Стекло и керамика. 2000. № 7. С. 24-28.
6. Shil'tsina A. D., Selivanov V.M. Ceramic Tiles Made of Granular Technogenic Raw Materials // Glass and Ceramics. 2000. V. 57. №7-8. P. 252-256.
7. Королев Л.В., Лупанов А.П., Придатко Ю.М. Анализ упаковки полидисперсных частиц в композитных строительных материалах // Современные проблемы науки и образования. 2007. №6. С. 105-108.
